案例了解工业级高温3D打印技术如何成就高性能工程塑料的快速制造

| 3DScienceValley · 2022/02/17

根据3D科学谷的市场观察，随着大型飞机、轨道客车、汽车工业、医疗和国防军工产业的发展，对于以PEEK为代表的特种工程塑料需求也在不断提高，尤其在提升高性能产品的生产和加工能力方面的要求十分迫切。

3D打印高强度塑料省去了制造模具的时间和成本，大幅缩短了制造周期，在面对交付周期短的需求时，针对特殊设计和原型验证，尤其是针对高强度、耐高温、腐蚀等苛刻使用工况，采用PEEK打印是一个非常明智的选择。但是想要成功打印PEEK等高性能材料也是具有挑战性的。那么工业级3D打印机在加工PEEK等高性能材料方面的需要具备哪些条件呢？

本期，3D科学谷与谷友来共同了解工业级3D打印机在加工PEEK等高性能材料方面的情况，并通过INTAMSYS-远铸智能的FUNMAT PRO 410这款智能多材料工业级3D打印机来了解基于材料挤出的3D打印技术如何成就工程塑料的快速制造。

增长中的3D打印塑料消耗量

根据3D科学谷，从金属到高性能材料的转换目前是航空航天市场的一个既定趋势。其中PAEK聚合物被证实是用于制造承重和非承重飞机支架的一个理想选择，适应对于部件的各种要求，兼顾强度和延展性，具有耐腐蚀性，易燃性/发烟率/毒性低，同时还保持绝缘性。根据SmarTech的预测PAEK类材料将成为先进热塑性塑料3D打印领域利润最高的领域，预计到2026年,PAEK类3D打印的总收入为11.81亿美元，占聚合物3D打印总收入的19% ，占所有专业级/工业级聚合物3D打印机所打印的工程级材料打印量的8%以上。

2020年全球塑料3D打印材料消耗及2025年预测（单位：吨）

灵活与复杂的结合

与其他 INTAMSYS-远铸智能的产品组合一样，FUNMAT PRO 410是工业级智能双喷头高温3D打印机，打印尺寸可达305*305*406mm，可处理多种复杂结构。该系统专为航空航天、汽车和能源等领域的工程级零件而设计，其为市场创造的价值主要来自其广泛的材料能力。FUNMAT PRO 410能够加工各种高性能长丝，可以打印PEEK, PEEK-CF, PEKK, ULTEM, PPSU等高性能材料，还可以打印像PA, PC, ABS, PETG这样的工程塑料。

FUNMAT PRO 410 设备细节
© Intamsys-远铸智能

- 工业级应用

内置的线性导轨及高性能定向驱动让FUNMAT PRO 410可实现高速度, 高精度3D打印，FUNMAT PRO 410双喷头温度可达500℃，平台温度可达160℃，腔室温度可达90℃。

构建室本身可以加热到 90°C，并配备活性炭 H13 HEPA 过滤器，以确保室内安全运行。但是，FUNMAT PRO 410 仍应始终在通风良好的地方使用。平台温度可达160℃，这对于避免打印的产品底部翘曲和分层问题至关重要。INTAMSYS 选择的打印表面是磁性的、可拆卸的玻璃板。

在连接方面，用户可以在 SD 卡、Wi-Fi 和以太网之间进行选择。该系统甚至还配备了额外的功能，如长丝堵塞/缺失警告和电源故障恢复，使日常 3D 打印工作流程更加愉快。

- 注重用户体验

FUNMAT PRO 410 的亮点在于该系统的打印头配备了双挤压装置、定制的液体冷却组件、以及最高温度为 500°C 的 CuCrZr 喷嘴。此外，远铸智能集成了两个 San Ace 40T 宽温范围风扇来冷却挤出后的长丝，并且有两个吹扫罐便于喷嘴清洁。

打印头是一个直接驱动系统，这意味着将长丝供应到喷嘴的电机直接安装在打印头本身中（尽管打印料仓也有两个电机来帮助进料），这意味着FUNMAT PRO 410 还能够更好地处理复杂和灵活的细丝，这是此类工业级打印机的优先事项。

FUNMAT PRO 410的一个非常值得注意的特点是可加热的打印料仓——在高温打印机上并不总是看到这一点。打印料仓位于构建室下方，是一个湿度受控的环境，用于一次存储多达两个材料线轴。它可以加热到 70°C，最终用于防止活性长丝吸收任何水分，从而大大提高长期打印性能。

FUNMAT PRO 410 设备注重用户体验，正面的 7 英寸全彩触摸屏提供了操作需要的所有功能，包括床校准、长丝加载和构建管理。该系统包含在精致的用户界面中，具有直观的菜单和几种不同的语言选项。

- 调平

想要高质量的 3D 打印，一个适当水平的构建板是必不可少的，一般的经验法则是在喷嘴和打印表面之间留下一张纸那么厚的间隙。FUNMAT PRO 410 标配一个水平传感器，直接安装在打印头中，用户可以在两种不同的床水平方法之间进行选择：手动和自动。

由触摸屏引导的手动方法让用户调整构建板下方的四个弹簧加载旋钮，每个旋钮都会改变床的平整度。虽然这个过程相对漫长，但运作良好。

另一方面，自动调平方法利用安装在打印头中的传感器，借助包装盒中提供的金属水平尺，系统测量构建板上三个不同点的位置，从而使打印机能够确定平台与真实 XY 平面的相对位置。然后，使用此偏移量通过在打印过程中升高或降低 Z 轴来执行实时补偿。可以将手动校准和自动调平结合起来以获得最佳结果。

- 自动化

FUNMAT PRO 410可以通过添加压电传感器来使工作流程完全自动化，或者在打印过程中使用实时 Z 偏移按钮来调整喷嘴。该传感器将完全消除在喷嘴下方滑动任何金属片的需要，从而实现真正的用户无输入过程。还可以在每次打印之前实施自动调平步骤，进一步改进第一层构建。

- INTAMSUITE 切片软件

INTAMSYS的FUNMAT PRO 410提供自己的切片软件：NTAMSUITE。切片软件是广泛使用的 Cura 的改版版本，具有用户所期望的普通 FFF 打印准备程序的所有功能。这包括基本的平移、旋转和重新缩放操作，以及用于构建参数细化的易于使用且直观的 UI。

由于FUNMAT PRO 410的双挤压结构，该系统能够使用 PVA、HIPS 和 BVOH 等可溶性细丝 3D打印支撑结构。为了补充此功能，INTAMSUITE 切片软件还具有高级支撑生成设置。选择哪台挤出机作为支撑挤出机后，用户可以修改支撑填充物、支撑界面等。

3DPrintingIndustry行业测试

不过PEEK等高性能材料的3D打印是充满挑战的，由于丝材从喷嘴挤出时依靠的是后方未融化材料向前的推力，随着打印时间的增长，若喉管后端的温度达到材料玻璃化温度以上，丝材软化，向前的推力变小，则吐丝量减小，丝材挤出宽度变窄，使得零件精度降低。

为了测试INTAMSYS的FUNMAT PRO 410的使用体验，3DPrintingIndustry选择了PEEK材料，PEEK是PAEK系列高性能聚合物中最常用的热塑性塑料之一。该材料结合了高强度、生物相容性以及耐化学性和出色的热稳定性，使其成为航空航天和医疗保健等关键行业各种高性能应用的选择。

- 工程塑料丝材打印测试

测试人员测试的悬垂部分旨在确定系统在不使用支撑结构的情况下能够打印的角度。FUNMAT PRO 410成功实现了 50° 的最大悬垂角，没有任何问题，这对于像 PEEK 这样难以打印的材料来说非常棒。

FUNMAT PRO 410 PEEK 3D打印样件

同样，桥接测试旨在评估系统水平 3D 打印到空隙中的能力。FUNMAT PRO 410在结构开始弯曲之前能打印到 20 毫米的桥长，这是一个令人印象深刻的结果，测试人员对此感到非常满意。

最后，测试人员看一下回缩测试，这让测试人员对 3D 打印机的挤压能力有了一个概念。对于像 PEEK 这样的高温材料，即使是最好的打印机也很难在这项测试中表现突出，但FUNMAT PRO 410的表现令人钦佩。尖峰之间肯定有一些明显的拉线，但结构本身是在正确的高度成功制造出来的。

测试人员还想看看 FUNMAT PRO 410 如何处理圆形结构，因此测试人员 3D打印了一个圆形轨迹测试。通过研究同心圆直径（20mm、65mm、100mm）的正态分布，测试人员可以说当差的平均值在0.1mm以下，标准偏差在0.05mm以下时，打印机提供了足够的重复性，测量设备精确到±0.015mm。

图：ABS中的圆轨迹测试。

FUNMAT PRO 410在这里显示出优秀的可重复性，X 轴的平均偏移量为 0.085 毫米，Y 轴的平均偏移量为 0.139 毫米，因此两个轴的平均偏移量为 0.112 毫米，平均标准偏差只有 0.0415 毫米，非常好。

测试人员可以将 X 轴和 Y 轴之间的差异归因于两个轴分别由正弦函数控制的事实，X 轴的结果优于 Y 轴的结果，因为后者必须承载更多的重量，从而导致更大的惯性。因此，在打印优先考虑尺寸精度的零件时，最好尽可能沿 X 轴打印这些关键尺寸。

随后是测试中最佳和最差圆圈的钟形曲线——X 轴为圆圈 3，Y 轴为圆圈 2。在测试情况下，这台 3D 打印机制造的 100 毫米圆中有 99.6% 在 99.78 毫米和 100.12 毫米之间。在最坏的情况下，这台 3D 打印机制造的 65mm 圆中有 99.6% 在 64.72mm 和 64.95mm 之间。

围绕着实际用途，测试人员使用PEEK长丝来 3D 打印通常在航空航天或汽车制造设施中应用的三个工业部件：涡轮机、管道元件和锥齿轮。涡轮机和管道元件选择了SP5000 支撑材料进行了3D打印，SP5000 是一种可溶于乙酸乙酯的可溶性支撑材料，而锥齿轮的打印没有任何支撑。

测试结果发现，远铸智能的FUNMAT PRO 410制造了涡轮机和管道非常高的整体质量，具有光滑的表面和出色的层粘合性。然而，即使在将部件浸入乙酸乙酯超过 24 小时后，测试人员仍不得不使用刀具去除大部分 SP5000 支撑材料，导致部件表面出现白色残留物。测试人员将此归因于测试人员自己的加工参数，因为测试人员在零件和支架之间使用了 0.00mm 的间隙——也许留下 0.10mm 的间隙会导致界面更干净。

另一方面，测试人员认为锥齿轮的3D打印完美无瑕，这种高强度部件可以用作功能原型或最终用途零件。

接下来，测试人员使用聚碳酸酯 (PC) 长丝 3D 打印了一组Funktion-One Res 2 地面堆栈。FUNMAT PRO 410在这里给人留下了深刻的印象，因为测试人员的打印部件具有出色的表面质量并且没有缺陷，最终证明适合用途。

测试人员用三个碳纤维增强聚酰胺 (PA-CF) 打印结束了测试人员的测试：一组扬声器楔子、一个自行车头盔（带有 HIPS 可溶性支撑）和一个行星齿轮系统。

- PA-CF 材料的打印测试：扬声器楔、自行车头盔、行星齿轮系统

3D打印的扬声器楔块是一个内部组件，旨在将扬声器偏移 3 毫米，使其不会与相位插头接触。测试人员选择 PA-CF 是因为材料具有轻微的柔韧性，当扬声器外壳拧紧时，它能够形成真空密封。FUNMAT PRO 410轻松打印出复合材料楔块，零件工作完美。

FUNMAT PRO 410 设备可打印多种高性能材料

同样，测试人员为自行车头盔选择了 PA-CF材料，因为它具有强度和抗冲击性，使材料能够吸收冲击而不会破裂。虽然头盔确实需要一点后处理，但表面质量非常好，零件的缺陷也很少。PA-CF 和 HIPS 支架之间的界面也非常干净，没有材料渗出。

最后，测试人员有了 3D打印的行星齿轮系统。像这样的机械组件使测试人员能够确定 3D 打印机的公差到底有多小，因为可以很容易地判断系统的组装便利性和整体流动性。FUNMAT PRO 410 在此打印方面做得非常出色，因为测试人员的每个齿轮都具有干净的表面并且与组件的其余部分啮合良好，从而形成了一个功能齐全的齿轮系统。

总而言之，3DPrintingIndustry通过测试发现INTAMSYS FUNMAT PRO 410已证明自己是工业级强者。该系统结合了可观的构建体积和出色的打印质量，是希望成为使用工程级材料 3D打印高性能零件的专业和工业用户的绝佳选择。

此外，3DPrintingIndustry通过测试发现INTAMSYS 非常明确地将重点放在改善用户体验上。3D打印机的控制系统尽可能复杂，并且包含专用的打印料仓意味着不需要任何第三方插件——FUNMAT PRO 410真正可以直接开箱即用。