尼龍是最重要的工程塑料之一,在3D打印領(lǐng)域具有其他材料無可比擬的優(yōu)勢。尼龍產(chǎn)品應(yīng)用廣泛,幾乎覆蓋每一個(gè)領(lǐng)域,是五大工程塑料中應(yīng)用最廣的品種。
耐用性尼龍材料
尼龍(Nylon)又叫聚酰胺纖維,英文名Polyamide(簡稱PA)。尼龍外觀為白色至淡黃色顆粒,制品表面有光澤且堅(jiān)硬。尼龍材料有很好的耐磨性、韌性和抗沖擊強(qiáng)度,可用作具有自潤滑作用的齒輪和軸承的制備。尼龍耐油性好,無嗅無毒,可作為食品的包裝材料。部分尼龍用作合成纖維,其強(qiáng)度甚至可同碳纖維媲美,是重要的增強(qiáng)材料,在航天工業(yè)中被大量應(yīng)用。尼龍的不足之處是在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿條件下不穩(wěn)定,吸濕性強(qiáng)。
尼龍布
尼龍的品種眾多,主要有尼龍6、尼龍10、尼龍12、尼龍66尼龍1010、1212等。3D打印尼龍材料屬于一種特殊的耐用性工程尼龍。耐用性尼龍材料是一種非常精細(xì)的白色粉粒,做成的樣品強(qiáng)度高,同時(shí)具有一定的柔性,使其具有較強(qiáng)的抗沖擊性能。它的表面有一種沙沙的、粉末的質(zhì)感,也略微有些疏松。由于尼龍熔融溫度比較高,而熱變形溫度較其他高分子材料相比較低,導(dǎo)致大多數(shù)尼龍熔化后的黏度較小,無法滿足FDM工藝的要求,因此尼龍材料多數(shù)采用SLS工藝進(jìn)行打印。
耐用性尼龍材料在3D打印中的應(yīng)用
耐用性尼龍材料在3D打印中的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面:
結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁管道
外殼產(chǎn)品制造
葉輪和連接器
運(yùn)動(dòng)用消費(fèi)品
汽車儀表盤和格窗
裝配設(shè)計(jì)
接近最終產(chǎn)品性能的功能性原件
適用于中小體積的快速制造
符合生物適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療設(shè)備
車床加工或用黏合劑黏合的零件
結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品和塑料原型件
耐用性尼龍材料在3D打印中的代表性應(yīng)用實(shí)例:
目前3D打印耐用性尼龍材料主要用于制造功能性測試的原型件、模具母模以及最終用途零件等。耐用性尼龍材料在3D打印中的一個(gè)突出用途就是在人工骨制造方面的應(yīng)用:應(yīng)用SLS技術(shù)對顱骨三維CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行燒結(jié),得到完整的顱骨模型。與ABS等其他高分子材料相比,耐用性尼龍材料的加工溫度稍高,其3D打印的制品韌性高于ABS的制品,沖擊強(qiáng)度是PLA制品的10倍以上,因此常被用于高機(jī)械強(qiáng)度的零件制造。
尼龍因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性早已廣泛應(yīng)用于服裝領(lǐng)域,很多設(shè)計(jì)師們都在嘗試使用尼龍作為原料進(jìn)行服裝的3D打印。2011年,Shapeways公司推出全球第一款利用SLS技術(shù)3D打印出來的比基尼泳衣。這種尼龍材料非常潔凈、結(jié)實(shí)且富有彈性,是3D打印技術(shù)服裝制品商業(yè)化的開端。
尼龍材料突出的柔韌性、機(jī)械性能、較低的密度為3D打印在時(shí)尚界的發(fā)揮提供了廣闊的施展空間。上圖是一款3D打印的高跟鞋,這款鞋子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)主要是由耐用性尼龍粉末材料構(gòu)成。
英國的歐洲航空防務(wù)與航天集團(tuán)展示了一輛3D打印的自行車“Airbike”。Airbike用尼龍材料制造,打印技術(shù)為SLS(選擇性激光燒結(jié)),與鋼鋁材料的堅(jiān)固程度相當(dāng),但重量卻比鋼鋁材料輕65%。
英國南安普頓大學(xué)的工程師制成了全球首款3D打印的飛機(jī)“SULSA”。這架飛機(jī)的外殼是利用SLS激光燒結(jié)技術(shù)制成,機(jī)身相當(dāng)輕便,具有良好的強(qiáng)度。
尼龍玻纖
用不同性能的材料進(jìn)行復(fù)合,充分發(fā)揮優(yōu)勢互補(bǔ),能夠使其某些特定性能得到大幅度的提高,從而進(jìn)一步拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。
玻璃纖維(Glass Fiber)是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料。其單絲直徑從幾微米到幾十微不等,大約相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的1/20~1/5。玻璃纖維作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料、絕熱保溫材料和電絕緣材料廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。
玻璃纖維
尼龍玻纖由玻璃纖維加入尼龍材料復(fù)合而成。研究表明在尼龍中加入30%的玻璃纖維,其強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐熱性和耐老化性能均有明顯提高。尼龍玻纖改善了單一的尼龍材料熱收縮率高和尺寸穩(wěn)定性差的缺陷,使其更加吻合作為3D打印材料的需要。另外,由于玻纖對尼龍性能的提高以及熔體流變性能的改變,使尼龍玻纖不僅能夠用于SLS技術(shù)的打印,還能充分滿足FDM工藝的打印需要。
在汽車領(lǐng)域中,世界首輛3D打印汽車原型Urbee于2013年問世,由Urbee團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)而成,其主要材料是尼龍玻纖。Urbee團(tuán)隊(duì)對尼龍玻纖的使用有豐富的經(jīng)驗(yàn),尼龍玻纖材料被應(yīng)用于汽車玻璃鋼罩、擋泥板、車頂,以及汽車制造模具的打印中。在整個(gè)制作過程中,他們將尼龍玻纖材料切割成圓形橫截面的薄層后再擠壓成絲狀,利用FDM打印機(jī)打印制作而成。尼龍玻纖從噴頭擠壓出來的絲狀材料甚至能達(dá)到人的頭發(fā)絲那么細(xì),從而有效保證了打印產(chǎn)品的精細(xì)度。整個(gè)車的零件打印只需耗時(shí)2500小時(shí),生產(chǎn)周期遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)汽車制造周期。