高性能聚合物（HPP）已在工業(yè)領域應用數十年，尤其是在注塑成型和機械加工領域。然而，近年來，它們已不再是傳統(tǒng)工程的專屬材料，而是開始應用于增材制造領域。這類聚合物與傳統(tǒng)聚合物相比，具有更優(yōu)異的性能，例如更高的強度、更佳的耐磨性和更持久的耐用性。在增材制造工藝中最常用的HPP包括聚芳醚酮（PAEK）系列（包括PEEK和PEKK）以及聚醚酰亞胺（PEI），其商品名ULTEM。

高性能聚合物(HPP)在3D打印中的加工工藝不斷改進，其在解決日益復雜的價值鏈中的實際問題方面發(fā)揮著越來越重要的作用，不僅縮短了交付周期，還優(yōu)化了成本。本次，我們將探討在增材制造中選擇高性能聚合物的八個理由，旨在了解為什么這些材料可能不再只是一種實驗性的替代方案，而是成為一種先進的制造資源。

PEEK 3D打印部件。（圖片來源：elecrow）

1、良好的熱阻

高性能聚合物最顯著的特性之一是其在極端條件下的熱穩(wěn)定性。標準塑料（例如ABS）在90-100°C左右開始失去其機械性能，而PEEK等材料在高達250°C的連續(xù)使用條件下仍能保持其結構，并可耐受300°C的峰值溫度。PEKK和PEI具有相似的性能，熱變形溫度高于200°C，使其成為需要熱穩(wěn)定性應用的理想選擇。這種性能水平意味著此類聚合物可用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。這些環(huán)境包括汽車發(fā)動機附近的部件或航空渦輪機中的結構支撐。

它們的性能體現(xiàn)在賽車運動中。NASCAR使用3D打印和ULTEM?9085制造了一個NACA管道，安裝在發(fā)動機下面板上，其功能是引導和排出比賽期間產生的熱空氣。

2、耐化學性

耐化學性是高性能聚合物的另一個顯著特征。一些聚合物在接觸有機溶劑、碳氫化合物或工業(yè)流體時會加速降解，而高性能聚合物則不會。在大多數熱塑性塑料失效的環(huán)境中，高性能聚合物的結構和功能幾乎保持不變。因此，它們非常適合用于化學工程、流體輸送系統(tǒng)以及需要化學消毒或滅菌的醫(yī)療設備。

3、卓越的機械性能

高性能聚合物以其強度、剛度和韌性的均衡性而著稱，這使其非常適合用于制造承受長期應力的功能部件。與標準熱塑性塑料不同，高性能熱塑性塑料的機械性能可與鋁等輕質金屬相媲美，同時還具有低密度的優(yōu)勢。例如，PEEK的拉伸強度高達90至100 MPa，高于PLA（60 MPa）。其抗疲勞性與其機械性能息息相關。即使在動態(tài)條件和溫度變化下，HPP也能在多次循環(huán)后保持其性能。最后，它們還具有抗沖擊性，因此，例如由PEKK制成的部件可以吸收突發(fā)負載而不會斷裂。需要注意的是，為了獲得這些機械性能，大多數HPP需要進行后處理，例如退火或熱等靜壓處理，以消除殘余應力、提高層間粘結力并最大限度地提高材料密度。

退火步驟前后的PEKK部件

4、金屬替代品

增材制造領域最具變革性的趨勢之一是使用高性能聚合物替代金屬部件。正如您所想象的，這些材料因其高耐化學性、熱穩(wěn)定性、機械強度以及與同等金屬部件相比更輕的重量而極具吸引力。雖然使用高性能聚合物進行3D打印仍面臨挑戰(zhàn)，但加工這些材料卻具有諸多優(yōu)勢?？紤]到金屬加工產生的大量廢料和高昂的工具成本，這些因素仍然無法實現(xiàn)復雜幾何形狀或內部通道的生產。另一個關鍵因素是高性能聚合物的耐腐蝕性，而這正是金屬的常見弱點。

值得注意的是，盡管高性能聚合物的機械性能與金屬相當，但它們大多采用FDM/FFF工藝加工，這意味著零件可能會表現(xiàn)出一定的各向異性，具體取決于層間粘附力和打印配置。在設計用于承受臨界載荷的部件時，必須考慮到這一特性，但這并不限制其應用。

5、醫(yī)療兼容性

在高性能聚合物的所有應用中，醫(yī)療領域受益于其獨特的性能。PEEK因其生物相容性而備受認可，這意味著它可以安全地與人體長期接觸。由于其強度與人體骨骼相似，PEEK被用于制造定制植入物，從而減少術后并發(fā)癥并與組織完美融合。PEEK在醫(yī)療保健領域的3D打印技術正逐漸受到關注，其工藝也不斷改進。值得一提的是3D Systems，該公司去年獲得了美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)的批準，生產全球首個3D打印PEEK VSP顱骨植入物。該植入物可在醫(yī)院使用無菌設備制造。

由PEEK制成的顱骨植入物。（圖片來源：Xilloc Medical）

6、強化的可能性

HPP還可以通過纖維增強，進一步擴展其性能。這種多功能性使其成為從航空到國防等各種工業(yè)環(huán)境的適用材料。增強材料與增材制造的結合還支持先進的設計策略，例如基于載荷方向的纖維取向，從而優(yōu)化部件的機械性能。

7、關鍵應用程序的自由

3D打印高性能聚合物的真正原因在于它們能夠實現(xiàn)關鍵應用——在這些應用中，材料失效會在安全性、成本或運行連續(xù)性方面造成嚴重后果。借助3D打印技術，高性能聚合物能夠通過添加幾何形狀和設計來滿足性能要求，而這些幾何形狀和設計是迄今為止此類聚合物的工藝無法實現(xiàn)的。它們在航空航天、汽車和鐵路領域的應用開發(fā)中尤其受到青睞。

許多此類材料均已獲得國際認證，確保其在嚴苛環(huán)境下的可靠性，這進一步鞏固了其廣泛應用。例如，ULTEM?9085符合美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)和歐洲航空安全局(EASA)要求的25.853飛機內飾防火、防煙和防毒性(FST)標準。此外，F(xiàn)DA和ASTM也批準PEEK用于植入式和外科手術器械。

使用ULTEM 3D打印的飛機內飾部件。（圖片來源：Roboze）

8、重量與性能之間的平衡

最后，高性能聚合物在輕量化和技術性能之間實現(xiàn)了最佳平衡。金屬雖然強度高，但密度高，而高性能聚合物則不同，在許多情況下，它們的性能相當，但與鋁等輕合金制成的同等部件相比，重量可減輕高達70%。在航空航天工業(yè)中，這一優(yōu)勢至關重要，因為飛機僅需減輕一公斤重量，就能在其整個使用壽命期間節(jié)省數千升燃料。

編譯整理：3dnatives