聚氨酯是類似橡膠的材料,全世界約有75%的用途是用于硬質(zhì)和軟質(zhì)泡沫。應(yīng)用包括室內(nèi)裝潢,泡沫密封件和墊片,彈性車輪和輪胎,汽車懸架襯套等。
盡管有熱塑性聚氨酯,但大多數(shù)聚氨酯是熱固性的,這意味著它們?cè)诩訜釙r(shí)不會(huì)熔化。在3D打印中,熱固性材料是桶型光聚合技術(shù)的領(lǐng)域,該技術(shù)使用紫外線來硬化光敏聚合物樹脂。
聚氨酯是通過異氰酸酯(由稱為胺的氨的衍生物制成的一類化學(xué)物質(zhì))與多元醇(具有多組氧與氫鍵合的有機(jī)材料)之間的反應(yīng)生成的。多元醇有助于聚合物的柔韌性,交聯(lián)的量決定了它的韌性或剛性。
具有低交聯(lián)度的長(zhǎng)鏈會(huì)產(chǎn)生可拉伸的材料,具有大量交聯(lián)鍵的短鏈會(huì)導(dǎo)致其變硬。具有中間交聯(lián)的長(zhǎng)鏈產(chǎn)生了可用于泡沫材料的聚合物。
聚氨酯合成,其中氨基甲酸酯基團(tuán)NH-(C = O)-O-連接分子單元。
在聚氨酯的生產(chǎn)中,異氰酸酯與水反應(yīng)生成氨基甲酸酯和脲鍵。在Carbon的RPU 130(一種剛性聚氨酯)的情況下,這些鍵對(duì)于所得的物理性能是必需的。
Carbon的材料高級(jí)副總裁Jason Rolland向3DPrint.com解釋說:“ RPU 130是一種剛性的雙固化聚氨酯-脲材料。材料中氨基甲酸酯和脲鍵的存在允許發(fā)生顯著的氫鍵。這使材料具有很高的韌性以及很高的軟化溫度?!?/p>
Carbon的數(shù)字光合成(DLS)技術(shù)是公司特定形式的數(shù)字光投影(DLP),其中將紫外線投射到一桶光敏聚合物樹脂上,并通過使用透氧窗對(duì)材料進(jìn)行連續(xù)固化迅速地。此過程可實(shí)現(xiàn)各向同性的物理特性,即在零件的所有方向上都相同的特性。
盡管3D打印中使用的大多數(shù)光敏聚合物會(huì)產(chǎn)生較弱,較脆的零件,更適合用于原型制作,但DLS制成的組件由于在打印過程完成后便會(huì)進(jìn)行加熱,因此具有工程級(jí)的機(jī)械特性。
Carbon解釋了它是如何工作的:
Rolland說:“ Carbon開發(fā)的雙固化材料,包括RPU 130,是光固化和熱固化化學(xué)物質(zhì)的混合物?!?當(dāng)樹脂反復(fù)暴露在圖案化的紫外線下時(shí),光固化基團(tuán)在印刷過程中會(huì)活化并聚合。這使我們可以在打印過程中精確定義零件的形狀。在后烘烤過程中觸發(fā)熱活性基團(tuán),形成一個(gè)單獨(dú)的聚合物網(wǎng)絡(luò)。材料的最終性能由紫外線和熱聚合物網(wǎng)絡(luò)決定。”
由于光敏聚合物的上述問題,從歷史上看,它們不適合通過3D打印進(jìn)行最終零件生產(chǎn)。但是,像Carbon這樣的公司所取得的進(jìn)步正在改變這一狀況。Carbon告訴3DPrint.com,光敏聚合物的性質(zhì)導(dǎo)致試圖在沖擊強(qiáng)度和熱特性之間取得平衡,而這對(duì)熱塑性塑料的阻礙較小。
“紫外線固化材料的主要挑戰(zhàn)是在沖擊強(qiáng)度和熱性能之間進(jìn)行權(quán)衡。通常,您需要選擇一個(gè)。尼龍等熱塑性塑料在平衡這些特性方面做得更好。RPU 130的獨(dú)特之處在于它具有很高的沖擊強(qiáng)度(在Gardner沖擊試驗(yàn)中大于30 J)和很高的熱變形溫度(120 oC),” Rolland解釋說。
“通過RPU 130實(shí)現(xiàn)的性能組合使其在增材制造領(lǐng)域具有高度差異性;它是各種應(yīng)用中ABS,尼龍或聚丙烯等普通熱塑性塑料的理想替代品。使用RPU 130和Carbon的技術(shù)證明了可顯著節(jié)省成本的小批量汽車零件生產(chǎn) 。RPU 130潛在的工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品應(yīng)用的其他示例包括用于車輛,太陽鏡,工具外殼和設(shè)備外殼的風(fēng)道和制動(dòng)鉗蓋?!?/p>
正如我們?cè)谄渌胤剿懻摰哪菢樱惹行枰獙⑽覀兊乃芰仙a(chǎn)從化石燃料來源轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕鷣碓?。正在進(jìn)行大量的研究工作,以尋求開發(fā)用于3D打印的基于植物的光敏聚合物,其中許多具有廣闊的前景。
裝配技術(shù)制造商ARaymond打印的3D管道固定器緊固件,用于汽車生產(chǎn)。圖片由Carbon提供。
在將這些材料擴(kuò)大到商業(yè)規(guī)模之前,像Carbon這樣的公司正在嘗試使用更多的可再生材料作為其材料。羅蘭德談到碳素公司的硬質(zhì)聚氨酯:
“近30%的RPU 130由稱為Susterra丙二醇的植物性原料組成,該原料是杜邦Tate&Lyle Bio Products生產(chǎn)的玉米原料。這完全符合Carbon在開發(fā)新材料時(shí)對(duì)可持續(xù)性原則的承諾。新型聚合物材料創(chuàng)新可以與環(huán)保原則相結(jié)合。RPU 130顯示出增強(qiáng)的材料性能和改善的材料可持續(xù)性不一定是相反的目標(biāo)。
植物來源的原料通常比石油來源的原料具有更低的碳足跡,而Susterra丙二醇(經(jīng)USDA認(rèn)證的100%基于生物的產(chǎn)品)可減少48%的溫室氣體排放,并減少來自搖籃的不可再生能源46%。與傳統(tǒng)的基于石油的替代品相比”。
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