近年來，塑料的增材制造——尤其是激光燒結(jié)已發(fā)展成為系列生產(chǎn)工藝。數(shù)百萬把睫毛刷和數(shù)萬副眼鏡架的生產(chǎn)就是很好的例子，它們表明即使是大批量產(chǎn)品也可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的高質(zhì)量生產(chǎn)。激光燒結(jié)的一個主要優(yōu)勢是利用該工藝標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性材料可以加工成性能接近注塑成型的高質(zhì)量零件。盡管激光燒結(jié)工藝已經(jīng)非常成熟，但材料的選擇仍然有限。

目前市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品仍然是聚酰胺11（PA11）和聚酰胺11PA12。通過這些聚合物，該工藝已達(dá)到了良好的技術(shù)成熟度。但是，它們都不是傳統(tǒng)塑料加工的主要材料。聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）等塑料占據(jù)的市場份額明顯更高。即使在聚酰胺產(chǎn)品中，PA6和PA66也比PA11和PA12占據(jù)更高的地位，成為了重要應(yīng)用中的利基材料。

因此，由于缺乏合適的材料，許多重要的應(yīng)用領(lǐng)域仍然無法實(shí)現(xiàn)增材制造。但是，很多令人關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域即將大量應(yīng)用到增材制造，例如：汽車、航空航天、電子和電氣以及機(jī)械工程領(lǐng)域。然而，很多公司對一步到位同時(shí)改變材料和制造工藝感到猶豫，因?yàn)樵黾又圃旃に囆枰度氲木μ?，沒有更多的精力同時(shí)考慮因?yàn)橐胄虏牧蠋淼淖兞苛恕Ｒ虼?，許多潛在的系列應(yīng)用仍然封閉，盡管加工數(shù)量和應(yīng)用領(lǐng)域大體上都適合。

PA11和PA12的替代需求

近年來，這些行業(yè)進(jìn)對此進(jìn)行了反思。他們對增材制造進(jìn)行了開發(fā)利用，聲稱在廣泛使用的PA11和PA12方面有了明顯的突破。這一趨勢的焦點(diǎn)是利用該領(lǐng)域常用的材料進(jìn)行增材制造。因此，人們對增材工藝需要更多原料的呼聲越來越高。

但是，用于激光燒結(jié)或粉末床熔融的材料的開發(fā)通常非常復(fù)雜。用料要求和制造部件的要求都基于注塑成型的參考材料。然而，這兩種工藝在所需材料的特性方面有著根本的不同，甚至與這些要求相反。注塑成型需要快速凝固和短結(jié)晶時(shí)間，而這會使激光燒結(jié)加工復(fù)雜化。此外，熔融和結(jié)晶之間需要一個較寬的加工窗口，而這只有少數(shù)半結(jié)晶材料能夠提供。其他難題還包括缺乏輔助成型的工藝壓力以及難以生產(chǎn)具有良好流動性和合適粒度分布的粉末。這些要求不論過去還是現(xiàn)在，都導(dǎo)致許多材料加工性能或零件性能不佳。用戶體驗(yàn)差往往導(dǎo)致他們拒絕使用PA11和PA12的替代粉末材料，最終阻礙必要的市場流通。

增材制造的傳統(tǒng)塑料

AM Polymers公司專門解決了這個問題——通過注塑成型開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性塑料和工程塑料用于激光燒結(jié)，專注于即插即用的解決方案。在過去數(shù)年里，他們推出了許多基于熱塑性聚氨酯（TPU）、PE、PP、PBT和PA6的粉末材料，品牌名為Rolaserit。它們的特點(diǎn)是部件性能可與注塑成型相媲美，并且具有良好的加工性能、高斷裂伸長率和良好的批間穩(wěn)定性。該公司特別注重通過廣泛的加工技術(shù)支持將磨合期縮短至數(shù)天，方便客戶快速開始零件生產(chǎn)。

用于激光燒結(jié)的PA66

Rolaserit PA66-01是AM Polymers首次推出用于激光燒結(jié)工藝的PA66粉末材料。與其他聚合物相比，PA66的主要特點(diǎn)在于高熱變形溫度和耐老化性。此外，這種材料還具有高硬度和高剛度以及良好的耐磨性。憑借這些特性，該材料特別適用于電子以及機(jī)械工程、汽車和設(shè)備制造領(lǐng)域需要承受高機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的模制部件。由PA66制成的典型部件包括線圈體、滑動軸承、齒輪、聯(lián)軸器零件以及覆蓋物和外殼部件。

該材料是德國聯(lián)邦教育及研究部（BMBF）通過項(xiàng)目管理組織（Projekttr?ger Jülich）資助的Flatisa聯(lián)合項(xiàng)目的一部分。該項(xiàng)目是與空中客車（Airbus）和西門子（Siemens）聯(lián)合開發(fā)的Promat_3D計(jì)劃的一部分（資助編號：03XP0099F）。它已經(jīng)在上述兩家公司經(jīng)過成功測試，可用于航空航天和電子行業(yè)試件的生產(chǎn)（標(biāo)題圖和圖1）。

該材料具有PA66典型部件的特性，干燥狀態(tài)下的彈性模量為3100MPa，強(qiáng)度為75MPa，斷裂伸長率高達(dá)15%。此外，該材料的防火等級達(dá)到了UL94 V2。作為商業(yè)化步驟的第一步，該材料將作為在AM Polymers設(shè)備上生產(chǎn)的零件出現(xiàn)在用戶市場上。該材料在激光燒結(jié)系統(tǒng)（型號：ST252P，制造商：Farsoon Europe）上表現(xiàn)出了優(yōu)異的可加工性，并且因?yàn)榫哂辛己玫难有裕€可用于生產(chǎn)小零件。由于熔融溫度高，它需要用合適的機(jī)器和足夠高的加工溫度進(jìn)行加工。但是，這種機(jī)器并不常見。不過，各種機(jī)器制造商提供的適用機(jī)器產(chǎn)品正在穩(wěn)步增加。因此，可以預(yù)見，未來PA66將與其他用于激光燒結(jié)的材料一樣在市場上隨處可見。

可在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器上加工的PBT

為了進(jìn)一步開發(fā)新產(chǎn)品，AM Polymers 和三菱化學(xué)（Mitsubishi Chemical）聯(lián)合開發(fā)了用于激光燒結(jié)的各種PBT牌號。PBT作為聚合物的主要特點(diǎn)在于良好的抗滑動磨損性能、不受濕度影響的良好的電絕緣性能以及高尺寸穩(wěn)定性。其典型應(yīng)用包括滑動軸承、閥門模壓件、滾子、泵殼、葉輪、聯(lián)軸器以及電氣行業(yè)中的線圈體、夾具和連接器塊等。

PBT的典型熔融溫度為223°C，因此激光燒結(jié)通常需要200°C以上的粉末床溫度。此外，產(chǎn)品名稱為Rolaserit PBT01的材料可以在所有標(biāo)準(zhǔn)的激光燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行加工。例如，該材料已經(jīng)在Farsoon Europe公司的ST252P系統(tǒng)、3D-Systems公司的Vanguard HS和EOS公司的EOS P360系統(tǒng)上成功進(jìn)行了加工。因此，它在各種應(yīng)用的機(jī)器技術(shù)方面沒有任何限制。

與PA12相比，該材料的主要特點(diǎn)是在強(qiáng)度48MPa時(shí)具有更高的剛度2650MPa，以及較低的吸濕性和不受濕度影響的材料特性。激光燒結(jié)可獲得高達(dá)15%的斷裂伸長率，與PA12大致相同。即使沒有經(jīng)過后處理，該材料也具有非常光滑的高質(zhì)量表面，而且它的表面質(zhì)量還可以通過蒸汽平滑化學(xué)后處理進(jìn)一步改善（圖2）。該材料還具有優(yōu)異的電絕緣性能。其表面電阻為5·1016Ωm，體積電阻為3·1015Ω，比PBT制成的傳統(tǒng)注塑材料具有更高的效能。這些特性使該材料極其適用于電氣和電子部件，如特殊連接器的應(yīng)用所示（圖3）。因?yàn)榫哂懈邩?gòu)件延性，它還可用于生產(chǎn)合理質(zhì)量的小零件和卡扣式連接器。這些都已通過應(yīng)用和功能測試得到了證實(shí)。
 
含填充材料的PBT牌號

在基礎(chǔ)牌號的基礎(chǔ)上還有更多填充版本被開發(fā)了出來，再次擴(kuò)展了PBT在激光燒結(jié)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。首先考慮的是玻璃纖維和碳纖維填充牌號。纖維填充PBT基材料首次被成功引入激光燒結(jié)領(lǐng)域。纖維填充顯著改善了材料的性能。其剛度可提高至5500-6000MPa，強(qiáng)度可達(dá)60MPa，耐溫性可提高到180°C。盡管使用了纖維，通過適當(dāng)?shù)牟牧现苽淙钥煞乐辜庸ば袨榈膼夯?。因此，盡管使用了纖維填料，仍能獲得良好的粉末鋪展性。

結(jié)語與展望

增材制造——尤其是激光燒結(jié)等粉末床融合工藝日漸成為了重要的批量生產(chǎn)技術(shù)。但是，在許多情況下，批量生產(chǎn)都需要合適的材料，而這些材料已在相關(guān)應(yīng)用中被用于注塑成型。但是，它們通常只能在有限的范圍內(nèi)被用于增材制造。AM Polymers目前正在解決這一問題，努力使具有特定應(yīng)用特性的傳統(tǒng)注塑材料可用于激光燒結(jié)。未來，他們將為激光燒結(jié)創(chuàng)造出一系列類似的材料。