高性能聚合物（HPP）已在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)十年，尤其是在注塑成型和機(jī)械加工領(lǐng)域。然而，近年來(lái)，它們已不再是傳統(tǒng)工程的專屬材料，而是開(kāi)始應(yīng)用于增材制造領(lǐng)域。這類聚合物與傳統(tǒng)聚合物相比，具有更優(yōu)異的性能，例如更高的強(qiáng)度、更佳的耐磨性和更持久的耐用性。在增材制造工藝中最常用的HPP包括聚芳醚酮（PAEK）系列（包括PEEK和PEKK）以及聚醚酰亞胺（PEI），其商品名ULTEM。

高性能聚合物(HPP)在3D打印中的加工工藝不斷改進(jìn)，其在解決日益復(fù)雜的價(jià)值鏈中的實(shí)際問(wèn)題方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，不僅縮短了交付周期，還優(yōu)化了成本。本次，我們將探討在增材制造中選擇高性能聚合物的八個(gè)理由，旨在了解為什么這些材料可能不再只是一種實(shí)驗(yàn)性的替代方案，而是成為一種先進(jìn)的制造資源。

PEEK 3D打印部件。（圖片來(lái)源：elecrow）

1、良好的熱阻

高性能聚合物最顯著的特性之一是其在極端條件下的熱穩(wěn)定性。標(biāo)準(zhǔn)塑料（例如ABS）在90-100°C左右開(kāi)始失去其機(jī)械性能，而PEEK等材料在高達(dá)250°C的連續(xù)使用條件下仍能保持其結(jié)構(gòu)，并可耐受300°C的峰值溫度。PEKK和PEI具有相似的性能，熱變形溫度高于200°C，使其成為需要熱穩(wěn)定性應(yīng)用的理想選擇。這種性能水平意味著此類聚合物可用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。這些環(huán)境包括汽車發(fā)動(dòng)機(jī)附近的部件或航空渦輪機(jī)中的結(jié)構(gòu)支撐。

它們的性能體現(xiàn)在賽車運(yùn)動(dòng)中。NASCAR使用3D打印和ULTEM?9085制造了一個(gè)NACA管道，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)下面板上，其功能是引導(dǎo)和排出比賽期間產(chǎn)生的熱空氣。

2、耐化學(xué)性

耐化學(xué)性是高性能聚合物的另一個(gè)顯著特征。一些聚合物在接觸有機(jī)溶劑、碳?xì)浠衔锘蚬I(yè)流體時(shí)會(huì)加速降解，而高性能聚合物則不會(huì)。在大多數(shù)熱塑性塑料失效的環(huán)境中，高性能聚合物的結(jié)構(gòu)和功能幾乎保持不變。因此，它們非常適合用于化學(xué)工程、流體輸送系統(tǒng)以及需要化學(xué)消毒或滅菌的醫(yī)療設(shè)備。

3、卓越的機(jī)械性能

高性能聚合物以其強(qiáng)度、剛度和韌性的均衡性而著稱，這使其非常適合用于制造承受長(zhǎng)期應(yīng)力的功能部件。與標(biāo)準(zhǔn)熱塑性塑料不同，高性能熱塑性塑料的機(jī)械性能可與鋁等輕質(zhì)金屬相媲美，同時(shí)還具有低密度的優(yōu)勢(shì)。例如，PEEK的拉伸強(qiáng)度高達(dá)90至100 MPa，高于PLA（60 MPa）。其抗疲勞性與其機(jī)械性能息息相關(guān)。即使在動(dòng)態(tài)條件和溫度變化下，HPP也能在多次循環(huán)后保持其性能。最后，它們還具有抗沖擊性，因此，例如由PEKK制成的部件可以吸收突發(fā)負(fù)載而不會(huì)斷裂。需要注意的是，為了獲得這些機(jī)械性能，大多數(shù)HPP需要進(jìn)行后處理，例如退火或熱等靜壓處理，以消除殘余應(yīng)力、提高層間粘結(jié)力并最大限度地提高材料密度。

退火步驟前后的PEKK部件

4、金屬替代品

增材制造領(lǐng)域最具變革性的趨勢(shì)之一是使用高性能聚合物替代金屬部件。正如您所想象的，這些材料因其高耐化學(xué)性、熱穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度以及與同等金屬部件相比更輕的重量而極具吸引力。雖然使用高性能聚合物進(jìn)行3D打印仍面臨挑戰(zhàn)，但加工這些材料卻具有諸多優(yōu)勢(shì)。考慮到金屬加工產(chǎn)生的大量廢料和高昂的工具成本，這些因素仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀或內(nèi)部通道的生產(chǎn)。另一個(gè)關(guān)鍵因素是高性能聚合物的耐腐蝕性，而這正是金屬的常見(jiàn)弱點(diǎn)。

值得注意的是，盡管高性能聚合物的機(jī)械性能與金屬相當(dāng)，但它們大多采用FDM/FFF工藝加工，這意味著零件可能會(huì)表現(xiàn)出一定的各向異性，具體取決于層間粘附力和打印配置。在設(shè)計(jì)用于承受臨界載荷的部件時(shí)，必須考慮到這一特性，但這并不限制其應(yīng)用。

5、醫(yī)療兼容性

在高性能聚合物的所有應(yīng)用中，醫(yī)療領(lǐng)域受益于其獨(dú)特的性能。PEEK因其生物相容性而備受認(rèn)可，這意味著它可以安全地與人體長(zhǎng)期接觸。由于其強(qiáng)度與人體骨骼相似，PEEK被用于制造定制植入物，從而減少術(shù)后并發(fā)癥并與組織完美融合。PEEK在醫(yī)療保健領(lǐng)域的3D打印技術(shù)正逐漸受到關(guān)注，其工藝也不斷改進(jìn)。值得一提的是3D Systems，該公司去年獲得了美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)的批準(zhǔn)，生產(chǎn)全球首個(gè)3D打印PEEK VSP顱骨植入物。該植入物可在醫(yī)院使用無(wú)菌設(shè)備制造。

由PEEK制成的顱骨植入物。（圖片來(lái)源：Xilloc Medical）

6、強(qiáng)化的可能性

HPP還可以通過(guò)纖維增強(qiáng)，進(jìn)一步擴(kuò)展其性能。這種多功能性使其成為從航空到國(guó)防等各種工業(yè)環(huán)境的適用材料。增強(qiáng)材料與增材制造的結(jié)合還支持先進(jìn)的設(shè)計(jì)策略，例如基于載荷方向的纖維取向，從而優(yōu)化部件的機(jī)械性能。

7、關(guān)鍵應(yīng)用程序的自由

3D打印高性能聚合物的真正原因在于它們能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵應(yīng)用——在這些應(yīng)用中，材料失效會(huì)在安全性、成本或運(yùn)行連續(xù)性方面造成嚴(yán)重后果。借助3D打印技術(shù)，高性能聚合物能夠通過(guò)添加幾何形狀和設(shè)計(jì)來(lái)滿足性能要求，而這些幾何形狀和設(shè)計(jì)是迄今為止此類聚合物的工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。它們?cè)诤娇蘸教?、汽車和鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)中尤其受到青睞。

許多此類材料均已獲得國(guó)際認(rèn)證，確保其在嚴(yán)苛環(huán)境下的可靠性，這進(jìn)一步鞏固了其廣泛應(yīng)用。例如，ULTEM?9085符合美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)和歐洲航空安全局(EASA)要求的25.853飛機(jī)內(nèi)飾防火、防煙和防毒性(FST)標(biāo)準(zhǔn)。此外，F(xiàn)DA和ASTM也批準(zhǔn)PEEK用于植入式和外科手術(shù)器械。

使用ULTEM 3D打印的飛機(jī)內(nèi)飾部件。（圖片來(lái)源：Roboze）

8、重量與性能之間的平衡

最后，高性能聚合物在輕量化和技術(shù)性能之間實(shí)現(xiàn)了最佳平衡。金屬雖然強(qiáng)度高，但密度高，而高性能聚合物則不同，在許多情況下，它們的性能相當(dāng)，但與鋁等輕合金制成的同等部件相比，重量可減輕高達(dá)70%。在航空航天工業(yè)中，這一優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要，因?yàn)轱w機(jī)僅需減輕一公斤重量，就能在其整個(gè)使用壽命期間節(jié)省數(shù)千升燃料。

編譯整理：3dnatives