助力节能减排！“3D打印+工程塑料” 替代金属的可能性探讨
在诸多的减排技术途径中，轻量化技术占据了非常重要的位置。轻量化是一个笼统的概念。那么具体怎样做才能实现轻量化呢？宏观层面上的轻量化探索，包括通过采用轻质材料，如钛合金、铝合金、镁合金、结构陶瓷、工程塑料、玻璃纤维或碳纤维复合材料等材料。微观层面上的轻量化探索，包括通过结构设计优化，使零件设计得更紧凑和小型化，有助于轻量化。
3D打印技术通过结构设计层面为实现轻量化带来了可行性。在材料领域，工程塑料替代金属，也是实现轻量化的其中一种途径。本期，3D科学谷将与谷友们探讨的是，基于材料挤出的FFF 3D打印与相对轻质的工程塑料相结合的方式，替代金属材料的可能性，以此为航空航天、汽车等需要开展轻量化探索的领域提供一定的参考。
© 3D科学谷
工程塑料发展趋势
工程塑料以其优良的抗冲击性、化学稳定性、耐高温等性能，在航空航天、汽车、工业设备等领域中能够一定程度上取代金属，作为工程材料使用。未来工程塑料替代金属的趋势有望持续加深，以满足制造领域对于材料性能、功能、生产工艺、生产成本等各方面的要求。
根据3D科学的市场研究，工程塑料用于替代金属在各种终端行业中的应用。尤其是日益严格的环保法规要求汽车减少排放量和提高燃油经济性，工程塑料大量应用于汽车和运输行业。此外，家电产品、电器及电子产品、包装、医疗、建筑等行业也广泛使用工程塑料。
FFF 3D打印常见工程塑料材料
近日，INTAMSYS-远铸智能从FFF 3D打印工程塑料的性能、工艺优化、设计优化三个角度分析了替代金属材料的可能性。借此，我们可以对基于材料挤出工艺的FFF 工程塑料3D打印技术在金属替代上的潜力有所了解。
随着3D打印行业的发展，可以看到3D打印工程塑料的应用场景日益丰富，越来越多的行业正在通过3D打印技术来解决生产制造过程中遇到的问题。在探讨FFF 3D打印塑料零件怎样实现金属替代之前，先来了解几款常见的FFF 3D打印工程塑料（包含特种工程塑料）材料。
例如，工程塑料聚碳酸酯（PC）具有好的耐磨性、耐温性达到100度左右良好。通用塑料ABS 产量大，具有良好的可加工性和电镀性、上漆的性能，且成本更低，但考虑到ABS 性能比PC 偏弱，在应用时还可以选择PC-ABS 合金材料。ASA 材料相当于是ABS 的加强版材料，但与ABS 相比，具有更强的抗老化性能，适合应用在户外的应用场景中。
在尼龙（PA）系列的工程塑料中，尼龙具有较高的刚度、强度、耐磨性、耐油性，但尺寸稳定性较差，易于吸潮变软。所以在对于电气要求较高的场合中，可以选用PA12-CF 纤维复合增强材料，适合用于高湿的应用场景中。
特种工程塑料-聚芳醚酮系列。PEEK 材料的耐热温度在250度左右，最高耐温达到300度。但是PEEK 材料在FFF 3D打印时的Z轴强度约为注塑的30%。特种工程塑料中的PEKK 材料与Victrex AM 200 FIL （PAEK）材料，在一定程度上解决了Z向的力学损失问题，其中PEKK 材料的Z向强度达注塑样件的60%。
PPSU 耐水解，能够耐受100多度的蒸汽消毒。150-160度的长期耐温。
同样耐温的还有聚醚酰亚胺PEI (ULTEM)，其中ULTEM 1010 材料拥有较高的电学性能，如高温的接插件和元器件卡座。ULTEM 9085 经过了FAA 的认证，在航空航天领域应用的更多，满足轻量化、安全性高的需求。
塑料和金属的性能差异
在实际应用中，3D打印材料的性能能否满足金属替代的要求呢？远铸智能以部分细分应用为例，对工程塑料、高性能塑料（特种工程塑料）与金属材料的性能进行了分析。
l 阻燃性
在阻燃性（氧指数）图中，0.28 是阻燃性材料的分界线，超过该分界线可以成为阻燃材料。在材料密度图中，左边最轻的PMP 材料密度为0.9，而最轻的金属材料-铝镁合金的密度为2.6。
通常情况下，如果汽车能够减重10%，那么燃油节省量就能达到6-8%，材料的减重对节能减排来说意义重大，但是普通的工程塑料大部分易燃，会增加安全隐患，具备阻燃能力的塑料具备非常好的应用前景，尤其在当今电动汽车领域，而且塑料先天的绝缘性也是一大优势。
ULTEM™9085材料3D打印高压电池系统母线
© INTAMSYS-远铸智能 （图源自GreenTeam）
3D打印阻燃性工程塑料材料在电动汽车领域的应用潜力，在方程式赛车中率先得到了验证。德国斯图加特大学(University of Stuttgart)的学生电动方程式赛车队GreenTeam在E0711-11 EVO 车型中，大约有100个零件是使用INTAMSYS-远铸智能的FUNMAT HT 3D打印设备制造的。
l 耐化学性
金属材料与塑料材料都具有一定的耐受性。
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