助力节能减排！“3D打印+工程塑料” 替代金属的可能性探讨(2)
金属零件通常通过使用润滑油来降低摩阻，但同时也会增加腐蚀的风险。塑料在耐磨性方面具有其先天优势。PA、PEEK 材料都具备较好的自润滑的条件和较低的摩擦系数，PEEK 材料具备自润滑的条件和干态下比较低的摩擦系数，以及良好的耐腐蚀性，它的耐化学性能堪比镍钢，仅溶于浓硫酸和浓硝酸等一些强腐蚀性的溶剂。
3D打印 PEEK 齿轮
© INTAMSYS 远铸智能
3D打印PEEK 材料可用于制造减速器的齿轮组、机油泵等零部件的备件，应用在复杂化学环境中。某航天科研院所已采用INTAMSYS 远铸智能的高温FFF 3D打印设备，尝试3D打印PEEK 齿轮。作为宇航推进器传动部件，已用于地面测试实验，目前测试数据反馈良好。
l 比强度和耐热
与金属相比，塑料的强度和耐热性并不占优势。在一些要求不太高的短时间使用场景中，通过3D打印热塑性塑料可以在满足小批量交付的前提下实现降本增效。
从以上材料耐热曲线可以看到，从ABS 到PEEK，耐温范围从80度到260度。比强度是强度与密度的比值，例如PEEK与45钢的比强度相当，也就是说在负载较大的情况下工程塑料也有机会替代金属。
远铸智能PA-CF 与 PC 3D打印材料可用于制造五金冲压模具，满足少于1000件的小批量交付需求；PEEK-CF与ULTEM™1010 3D打印材料可用于制造130摄氏度环境下，需承受100千克耐压的工装夹具。
PEEK 材料3D打印立方体卫星（右）
© INTAMSYS-远铸智能
通常，卫星天线外壳的制造方式是钛合金或耐腐蚀金属的机械加工，将天线包裹在外面。3D打印PEEK 材料也可以用于天线外壳制造，并且可以将天线做在外壳内部，实现更好的保护。
还有一个典型的金属替代应用是通过3D打印碳纤维增强复合材料替代铝合金。远铸智能曾为用户制造了注塑模具压浇口的气动摇臂，该部件通常是铝合金制造的，但在小批量交付的应用中可以通过3D打印碳纤维增强实现金属替代。远铸智能团队通过调整内部的填充率、添加加强筋来优化气动摇臂夹紧装置的性能，实现了使用次数达1万余次的设计目标。
l 表面电阻
工业生产中，使用金属材料制作工装夹具也有着十分广泛的应用，但是通过开模工艺制作金属工装的时间周期比较长，成本也比较高，其中还有一个比较常见的需求是防静电。在这种情况下，使用塑料3D打印制作工装也是一个非常不错的选择，像一些常规的工程塑料，都有比较高的表面电阻率，也就是我们熟知的绝缘材料，所以在生产流程中会存在放电的风险。那么塑料是否能够也具备一些防静电的性能呢？答案是肯定的。目前主流的方式，是通过物理改性来让塑料实现达到防静电的效果，比如在原料中加入碳纤维、纳米管，甚至是石墨烯，或者选择一些比较吸湿的材料，正如前面提到的尼龙材料，它在吸湿后导电率会有所提升，但是就会因此牺牲一些精度。
材料、工艺、设计相结合的金属替代方式
以上可以看到，从阻燃性、耐化学性、比强度与耐热、表面电阻等应用性能需求的角度来考虑，都能够找到适合的3D打印工程塑料材料。但相比传统塑料成形工艺，增材制造-3D打印独特的成形方式，可以实现创新设计理念。当选择FFF 3D打印技术作为成形方式时，可以从选择理想的材料、工艺端优化、设计端结构优化三个角度相结合，在部分应用中实现金属替代。
l 材料端
从通用塑料、工程塑料到高性能塑料（特种工程塑料）可以满足各种不同场景的应用需求
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- 基于丰富的材料库，找到最理想的应用材料
- 基于指定的材料属性，从市场上寻找最好性能表现的材料
l 工艺端
①超过60%的模型密度对模型强度增加有限②小喷嘴表现表面质量有优势，大喷嘴大流量挤出强度有优势 ③调整打印方向后，就可以优化箭头方向的受力表现④增加壁厚可以提高拉伸强度和弯曲强度。
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- 提高打印模型的密实度或者填充类型如：12%、30%、50% 不同比例的填充，得到的材料密实度是不一样的，最终整体强度不同。
- 使用不同尺寸的打印喷嘴。小喷嘴在表面质量上更有优势，大喷嘴在实现材料层间强度方面更具优势。
- 调整打印件的方向。
- 增加外壳厚度，提高材料表面硬度，提高材料表面耐老化的性能。
l 设计端进行结构优化，提高材料的性能表现
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- 避免应力集中，例如对尖角、锐角的地方做调整，进行应力分散。
- 使用加强筋增强细小结构
- 基于有限元分析进行拓扑优化。包括两个优化方向：在质量不变情况下，通过改变材料的分布，实现最佳的性能表现；性能不变的情况下，减少材料使用，实现轻量化。
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