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？根据3D科学的市场研究，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。
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。
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。
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。
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。
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
© INTAMSYS-远铸智能
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。
© INTAMSYS-远铸智能
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
© INTAMSYS-远铸智能
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。
知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关金属、塑料等多样化的3D打印技术在细分领域的轻量化应用，请前往3D科学谷白皮书系列与谷.透视文章。
l 参考资料：
卡涞科技工程研究院. 《基于“碳中和”背景的轻量化工程的经济效益分析》
头豹研究院.《2019中国工程塑料行业市场研究》
XbotPart. 《关于3D打印热塑性材料替代金属件的可能性，你须知道的几件事》
延伸阅读:
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