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3D新聞

3D打印材料解析:聚氨酯和碳的RPU

星之球科技 來源:白令三維2020-09-28 我要評論(0 )   

聚氨酯是類似橡膠的材料,全世界約有75%的用途是用于硬質(zhì)和軟質(zhì)泡沫。應用包括室內(nèi)裝潢,泡沫密封件和墊片,彈性車輪和輪胎,汽車懸架襯套等。盡管有熱塑性聚氨酯,但...

聚氨酯是類似橡膠的材料,全世界約有75%的用途是用于硬質(zhì)和軟質(zhì)泡沫。應用包括室內(nèi)裝潢,泡沫密封件和墊片,彈性車輪和輪胎,汽車懸架襯套等。

盡管有熱塑性聚氨酯,但大多數(shù)聚氨酯是熱固性的,這意味著它們在加熱時不會熔化。在3D打印中,熱固性材料是桶型光聚合技術(shù)的領(lǐng)域,該技術(shù)使用紫外線來硬化光敏聚合物樹脂。

聚氨酯是通過異氰酸酯(由稱為胺的氨的衍生物制成的一類化學物質(zhì))與多元醇(具有多組氧與氫鍵合的有機材料)之間的反應生成的。多元醇有助于聚合物的柔韌性,交聯(lián)的量決定了它的韌性或剛性。

具有低交聯(lián)度的長鏈會產(chǎn)生可拉伸的材料,具有大量交聯(lián)鍵的短鏈會導致其變硬。具有中間交聯(lián)的長鏈產(chǎn)生了可用于泡沫材料的聚合物。

聚氨酯合成,其中氨基甲酸酯基團NH-(C = O)-O-連接分子單元。

在聚氨酯的生產(chǎn)中,異氰酸酯與水反應生成氨基甲酸酯和脲鍵。在Carbon的RPU 130(一種剛性聚氨酯)的情況下,這些鍵對于所得的物理性能是必需的。

Carbon的材料高級副總裁Jason Rolland向3DPrint.com解釋說:“ RPU 130是一種剛性的雙固化聚氨酯-脲材料。材料中氨基甲酸酯和脲鍵的存在允許發(fā)生顯著的氫鍵。這使材料具有很高的韌性以及很高的軟化溫度?!?/p>

Carbon的數(shù)字光合成(DLS)技術(shù)是公司特定形式的數(shù)字光投影(DLP),其中將紫外線投射到一桶光敏聚合物樹脂上,并通過使用透氧窗對材料進行連續(xù)固化迅速地。此過程可實現(xiàn)各向同性的物理特性,即在零件的所有方向上都相同的特性。

盡管3D打印中使用的大多數(shù)光敏聚合物會產(chǎn)生較弱,較脆的零件,更適合用于原型制作,但DLS制成的組件由于在打印過程完成后便會進行加熱,因此具有工程級的機械特性。

Carbon解釋了它是如何工作的:

Rolland說:“ Carbon開發(fā)的雙固化材料,包括RPU 130,是光固化和熱固化化學物質(zhì)的混合物?!?當樹脂反復暴露在圖案化的紫外線下時,光固化基團在印刷過程中會活化并聚合。這使我們可以在打印過程中精確定義零件的形狀。在后烘烤過程中觸發(fā)熱活性基團,形成一個單獨的聚合物網(wǎng)絡。材料的最終性能由紫外線和熱聚合物網(wǎng)絡決定。”

由于光敏聚合物的上述問題,從歷史上看,它們不適合通過3D打印進行最終零件生產(chǎn)。但是,像Carbon這樣的公司所取得的進步正在改變這一狀況。Carbon告訴3DPrint.com,光敏聚合物的性質(zhì)導致試圖在沖擊強度和熱特性之間取得平衡,而這對熱塑性塑料的阻礙較小。

“紫外線固化材料的主要挑戰(zhàn)是在沖擊強度和熱性能之間進行權(quán)衡。通常,您需要選擇一個。尼龍等熱塑性塑料在平衡這些特性方面做得更好。RPU 130的獨特之處在于它具有很高的沖擊強度(在Gardner沖擊試驗中大于30 J)和很高的熱變形溫度(120 oC),” Rolland解釋說。

“通過RPU 130實現(xiàn)的性能組合使其在增材制造領(lǐng)域具有高度差異性;它是各種應用中ABS,尼龍或聚丙烯等普通熱塑性塑料的理想替代品。使用RPU 130和Carbon的技術(shù)證明了可顯著節(jié)省成本的小批量汽車零件生產(chǎn) 。RPU 130潛在的工業(yè)和消費產(chǎn)品應用的其他示例包括用于車輛,太陽鏡,工具外殼和設(shè)備外殼的風道和制動鉗蓋。”

正如我們在其他地方所討論的那樣,迫切需要將我們的塑料生產(chǎn)從化石燃料來源轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕鷣碓础U谶M行大量的研究工作,以尋求開發(fā)用于3D打印的基于植物的光敏聚合物,其中許多具有廣闊的前景。

裝配技術(shù)制造商ARaymond打印的3D管道固定器緊固件,用于汽車生產(chǎn)。圖片由Carbon提供。

在將這些材料擴大到商業(yè)規(guī)模之前,像Carbon這樣的公司正在嘗試使用更多的可再生材料作為其材料。羅蘭德談到碳素公司的硬質(zhì)聚氨酯:

“近30%的RPU 130由稱為Susterra丙二醇的植物性原料組成,該原料是杜邦Tate&Lyle Bio Products生產(chǎn)的玉米原料。這完全符合Carbon在開發(fā)新材料時對可持續(xù)性原則的承諾。新型聚合物材料創(chuàng)新可以與環(huán)保原則相結(jié)合。RPU 130顯示出增強的材料性能和改善的材料可持續(xù)性不一定是相反的目標。

植物來源的原料通常比石油來源的原料具有更低的碳足跡,而Susterra丙二醇(經(jīng)USDA認證的100%基于生物的產(chǎn)品)可減少48%的溫室氣體排放,并減少來自搖籃的不可再生能源46%。與傳統(tǒng)的基于石油的替代品相比”。


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