火箭、滑雪靴和潜艇有什么共同之处?它们都可以用塑料打印的组件组装起来。
阿特拉斯5号火箭所用的支架、喷嘴和其他部件最近都是用聚醚酰亚胺3D打印的。滑雪靴是由聚酰胺基材料与碳纤维增强。该微型短节的叶片、鳍片、转向部件和其他部件都是用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)打印的。
尽管金属由于其更大的强度和阻力正在取得新的进展，塑料仍然是增材制造应用的王者。
当3D塑料打印首次进入市场时，ABS、尼龙和聚乳酸(PLA)是唯一可用的材料。它们仍然是最受欢迎和最容易使用的。
然而，如今的工程师有多种选择，包括聚碳酸酯、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸乙二醇酯和热塑性聚氨酯。甚至还有一种叫做不锈钢聚乳酸的时髦材料，它能像塑料一样打印，又像金属一样抛光。
与其他类型的材料相比，可用于增材制造的塑料种类是巨大的。它们在透明度、颜色、硬度、生物相容性、硬度、阻燃性、烟雾排放等性能上有所不同。
“虽然我们经常听到突破材料金属或生物材料的发展,热塑性塑料仍然是最好的解决方案price-to-performance比,”大卫·Miklas说be3D的CEO,一个工业3 d打印机制造商Y软公司的一个部门。”今天,公司可以用热塑性塑料用于许多目的,从原型制作到小批量生产。”
IDTechEx的技术分析师雷切尔·戈登(Rachel Gordon)补充道:“由于设计自由、材料浪费减少、大规模定制和分散制造，大多数3d打印塑料都是传统制造塑料的替代品。”“3D打印技术和它们可以打印的材料是内在联系的。
戈登解释说:“与几年前相比，现在用于3D打印的热塑性塑料灯丝更多了。”“还有更广泛的可用技术。
戈登说:“现在的趋势是房产种类越来越多。”“我们已经看到了更刚性和更灵活的材料，特别是弹性体。我们也看到越来越多的填充材料用于导电、磁性、强度、韧性或不寻常的纹理。
“但是，范围仍然非常有限，”戈登指出。“虽然目前有12,000种工业热塑性塑料，但可供购买的3D打印灯丝还不到20种。”
工程师可以使用几种不同的方法来打印塑料零件。流行的选择包括熔融沉积建模(FDM)和选择性激光烧结(SLS)。
FDM使得几乎任何尺寸的组件都可以生产，因为没有预先确定的空间要求来构成任何限制。
SLS使用二极管泵浦光纤激光器，使工程师能够处理更高熔点的材料。它适用于生产传统制造方法无法制造的复杂几何形状，如管道和空气处理组件。
成本问题
不幸的是，许多塑料材料仍然很贵。价格正在缓慢下降，但该行业缺乏一个认证机构，以帮助将价格与质量相匹配，并加快发展。
Stratasys Direct Manufacturing产品管理总监查克•亚历山大(Chuck Alexander)表示:“过去几年，塑料的成本效益有所提高，但它的价格仍落后于商业塑料。”“随着使用量的增加，我认为价格点将继续下降。
亚历山大指出:“虽然每公斤热塑性塑料添加剂的价格可能更高，但客户只为生产所用的材料付费。”“当考虑到高性能热塑性塑料如聚醚酰亚胺和聚醚酮酮(PEKK)时，这就变得尤为重要。因此，用户可能会发现打印一个零件的成本比加工一大块特殊材料的成本更低。”
Victrex是一家领先的增材制造材料生产商，其业务发展主管罗伯特•麦凯(Robert McKay)预测:“打印塑料的成本超过了材料的总和，而且还将继续下降。”“例如，当使用聚芳醚酮(PAEK)进行激光打印时，我们正与合作伙伴合作，优化机器、材料、工艺和零部件设计，以提高打印速度，提高产量和提高粉末回收率。”
Victrex帮助成立了一个行业联盟来解决这一特定问题。一个关键的目标是提高激光烧结用粉末的回收率。麦凯表示，这将大大减少聚合物的浪费，降低成本。该项目还将解决丝状印刷中层间粘附和零件表面光洁度的不可预测性。
麦凯说:“一旦找到了解决方案，印刷的总成本就会大大降低。”“我们可以期待看到优化的等级印刷，而不是注塑或挤出。”
这对正在寻找方法证明对增材制造设备投资合理性的工程师来说是个好消息。这也会带来更多的创新材料。
“填充塑料近年来很流行，尤其是激光烧结塑料，”亚历山大指出。“玻璃填充尼龙已经成为标准有一段时间了，但我们也推出了碳纤维填充尼龙12，以及矿物纤维填充尼龙12。
“我们现在看到的是更多的生产级塑料，如PEKK和聚醚酰亚胺，它们提供了额外的强度、耐热性和耐化学性，”Alexander说。“人们也越来越希望看到一些商用塑料，如聚丙烯、高密度聚乙烯和低密度聚乙烯，以及聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。”
麦凯指出:“工程师们想要的材料和性能与塑料注射成型和其他更成熟的制造方法相同。”“(他们)希望能够用PEEK开始3D打印生产，然后无缝过渡到注射成型，或者采用注射成型的部件，并使用3D打印进行定制。
麦凯补充说:“持续缩小绩效差距是一个持续的目标。”此外，添加碳和玻璃填充复合材料也是优先考虑的。”
新的应用程序
根据2016年大会专业状况据调查，增材制造在汽车、航空航天和医疗器械行业最受欢迎。
Xometry公司是一家3d打印服务公司，与波音、美敦力和丰田等制造商合作。该公司的项目工程总监格雷格•鲍尔森说:“最新的趋势与用途有关，而不仅仅是塑料。”“我们已经看到增材制造的基础被剥离，更多地被视为塑料和金属制造的另一种机器。
“我们已经看到越来越多的最终用途原型，一次性和低批量生产使用技术和材料，如SLS尼龙和多重FDM热塑性塑料，”Paulsen补充说。“即使在几年前，我们也会看到大部分的原型机，所以这是一个巨大的变化。”
根据保尔森的说法，尼龙通常用于汽车应用，因为它的耐久性和耐高温。他指出:“到目前为止，激光烧结尼龙是汽车上最流行的热塑性塑料。”“这是因为自由形式的建造能力和过程的水密性。其他材料有很多前景，但透气性是一个大问题。
“PEEK非常酷，但它在美国的可用性有限，而且往往价格昂贵，”保尔森解释说。“从一种经过验证的工业增材制造方法来看，我们对丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯用于ABS的替代，以及Ultem 1010和9085用于高耐热应用感到非常兴奋。ABS-ESD7具有静态耗散特性，适用于各种应用，如管道、机电外壳和夹具。”
另一种理想的汽车应用新材料是performance，一种来自DSM Somos的陶瓷填充复合树脂。Stratasys Direct Manufacturing的Alexander说:“它结合了立体平版印刷的高精度和美观性，以及在高温下对热稳定性和尺寸稳定性日益增长的需求。”“对于汽车外壳和零部件、电气外壳、风洞模型甚至工具等应用来说，这是一个很好的解决方案。”
航空航天工业在开发打印聚合物部件的新应用方面也在挑战极限。聚醚酰亚胺在该行业的许多应用中都是一种流行的材料，因为工程师可以生产出符合FAA设定的严格的火焰、烟雾和毒性要求的部件。
Alexander指出:“这些应用中材料的流行很大程度上是由特定需求驱动的。”“航空航天业对阻燃材料最感兴趣，所以Ultem 1010和9085，以及FR-106这样的尼龙都非常受欢迎。”
PEKK CF HT-23是最新的热塑性材料之一，吸引了波音和其他航空航天制造商的工程师的注意。Alexander说:“这种材料与典型的激光烧结材料不同，它是面向高要求的终端产品应用的。”“PEKK是一种先进的高温工程聚合物，具有优异的机械性能、耐化学性、热稳定性和火焰性
阻滞性。”
除了改善了基础聚合物的性能超过了典型的尼龙性能，HT-23还通过添加碳纤维进一步增强。
“虽然碳纤维复合尼龙用于激光烧结已经有一段时间了，但这些材料的干混合特性导致零件具有正交异性特性，”Alexander解释说。HT-23的颗粒具有封装碳纤维的特点，这降低了合成部件的各向异性。”
更均匀的材料性能增加了工程师的设计灵活性。因此，与传统碳纤维增强材料相比，激光烧结过程中的零件取向将不再那么重要。
“HT-23的高强度和轻重量使其在某些情况下与铝或碳纤维复合编织具有竞争力，使其成为航空航天应用、高温和腐蚀性环境的理想候选人，”Alexander说。
Victrex的麦凯补充说:“在航空航天领域，客户希望聚合物能够在苛刻的环境中生存，那里(通常)有广泛的温度范围和腐蚀性化学物质。”“他们还想要那些已经被证明多年的材料，比如基于peek的解决方案。”
Victrex目前正在基于专为增材制造工艺设计的化学配方开发新等级的PAEK聚合物。麦凯说，尽管目前PAEK材料已经在某些领域得到了应用，但它最初是用于注射成型或挤压工艺。新等级的目标是航空航天和医疗设备应用。
与汽车和航空航天一样，医疗行业对打印塑料部件有自己独特的要求。根据工程师硬件开发平台Fictiv Inc.的首席执行官戴夫·埃文斯(Dave Evans)的说法，ABS是医疗设备工程师最喜欢的材料。
他指出:“医疗行业往往对特定的应用有材料限制。”“我们已经看到医疗设备公司在开发的工程验证测试阶段使用增材制造进行契合检查，然后使用其他工艺生产医用级塑料部件，以获得FDA批准。”
Alexander补充说:“生物兼容材料非常有趣，[特别是]ISO 10993或USP VI级兼容材料可以消毒。”“这些材料可以用于广泛的医疗应用，包括定制的和小批量的手术组件。”
对于医疗设备工程师来说，灵活性也非常重要。这就是为什么3D打印服务公司Voodoo Manufacturing最近开始生产由热塑性聚氨酯(TPU)制成的部件，这种材料具有橡胶一样的弹性
Voodoo Manufacturing联合创始人兼首席产品官乔纳森•施瓦茨(Jonathan Schwartz)表示:“它可以创造出能够承受反复拉伸、运动和冲击而不会磨损或退化的产品。”TPU还因其高拉伸强度、耐磨性、耐化学性和可回收性而闻名，使其成为成千上万医疗应用的流行材料，如密封件、塞、软管和其他灵活和功能部件。
另一种针对医疗设备应用的新产品是一种高强度的聚对苯二甲酸乙二醇改性材料，称为guidel!ne，耐高温3D打印。根据Taulman3D，指南!ne符合ISO 10993标准。它的一个关键特点是能够方便地打印小的空心管。它的高打印温度也允许引导!Ne可作为医用级尼龙零件的零间隙支撑材料。
