热固性与热塑性增材制造技术差别及发展历程

过去十年，3D打印利用其可打印聚合物获得了支持并得到大力发展。本文将聚焦增材制造的关键进展，以及使用热塑性和热固性增材制造技术制作模具的之间的差异。

增材制造技术发展历程中最重要的进展之一就是根据橡树岭国家实验室(ORNL)和辛辛那提公司(CI)之间的合作研究与开发协议(CRADA)，于2014年引入大幅面3D打印。双方的共同努力促成了CI公司BAAM™打印机的商业开发，该打印机采用高通量挤压工艺，可以通过精确的增材制造工艺熔化和沉积多磅热塑性塑料珠。该打印机使用了一个8英尺宽，20英尺长的可移动打印床，比当时任何聚合物打印机都要大得多。

2017年，Magnum Venus Products (MVP)推出了被称为反应性增材制造(RAM)的3D打印机生产线。RAM打印机与其他大画幅打印机的不同之处在于，它们使用液态、热固性材料，这些材料被泵送并与有机过氧化物结合，沉积在连续的层中。

早期的开发工作是根据ORNL公司的MDF 联合开发协议完成，用于RAM打印机和Polynt复合材料开发。ORNL的大部分RAM工作主要集中在使用Polynt反应沉积(PRD)打印介质，这是一种粘性的类似牙膏的液体，含有乙烯酯树脂。PRD打印介质在室温下激活并在沉积后15至30分钟内固化。与替代热塑性材料相比，可泵送PRD材料更易于加工并且制造时需要的能源要少得多。

热固性增材制造(TSAM)的开发工作目前由ORNL、密西西比州立大学、MVP和Polynt共同承担。TSAM的一个关键特点是，可泵送液体在固化周期中与先前的珠子和基材表面发生化学反应。这种层间的化学反应是TSAM相对于热塑性塑料的主要优势之一。热塑性塑料没有化学键合，只是通过熔合进行机械连接。

在热塑性塑料中，要将新珠熔化成先前沉积的珠，时间是至关重要的。未能将两个珠子熔化在一起将导致珠与珠之间的粘附问题，并可能产生空隙，导致视觉外观缺陷，粘合层故障和真空完整性的丧失，特别是在构建用于制造零件的工具时。热塑性塑料沉积的另一个问题是各向异性，当纤维增强材料在固体介质中挤出时会发生这种情况。

碳纤维通常用于控制3D打印热塑性塑料在冷却和收缩时的翘曲。但是，当纤维在固体介质(比如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚醚砜(PESU)和聚醚醚酮(PEEK)中被挤压时，它们会沿打印方向排列。在比较热塑性印刷介质的面内(X-Y方向)性能与面外(z方向)性能时，通常会看到碳纤维增强热塑性塑料的机械性能下降60%到80%，这是由纤维排列造成的。z向强度没有纤维桥接熔化的热塑性塑料与热塑性塑料珠。

对于热固性塑料，珠子不会融化在一起。它们以粘性液体的形式沉积在一起，同时也发生化学反应。这大大提高了层间结合强度和力学性能。热固性介质是粘性液体而不是熔融固体，允许纤维运动的程度更大，导致在固化部件内的随机定向。与前面描述的热塑性各向异性相比，这导致热固性塑料具有更多各向同性的机械性能。热固性打印介质具有反应性键合位点，这导致层与层之间的键合强度更强，使打印更具各向同性。

可泵送液体打印介质(如PRD)的具体优势包括，通过RAM打印机上称之为“”的独特功能，可以启动和停止打印包含的项目，如金属嵌件、增强材料、芯材和冷却/加热管线。此外，热固性材料可以同时打印多个部分，可以使用相同的打印介质将这些部分“粘合”在一起，类似于今天许多复合材料在部分或层压板层中构建的方式，以最大限度地提高性能特性，例如强度和刚度。支撑结构通常可通过以90度悬垂打印出平面外的项目来消除。

使用热固性印刷介质的增材制造继续取得进展。到目前为止，大部分工作都围绕着工具展开，特别是模具制造和固定装置。零件生产可能需要结合连续纤维以提高强度，并需要机器人3D打印机来沉积纤维。目前的发展集中在更高的耐热材料，导热材料和极低的线性热膨胀系数(CLTE)材料，特别是用于模具制造的应用。

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