尼龙材料:你的第一件3D打印衣服是怎么来的

尼龙材料:你的第一件3D打印衣服是怎么来的

尼龙是最重要的工程塑料之一,在3D打印领域具有其他材料无可比拟的优势。尼龙产品应用广泛,几乎覆盖每一个领域,是五大工程塑料中应用最广的品种。今天就重点讲讲尼龙材料。

耐用性尼龙材料

尼龙(Nylon)又叫聚酰胺纤维,英文名Polyamide(简称PA)。尼龙外观为白色至淡黄色颗粒,制品表面有光泽且坚硬。尼龙材料有很好的耐磨性、韧性和抗冲击强度,可用作具有自润滑作用的齿轮和轴承的制备。尼龙耐油性好,无嗅无毒,可作为食品的包装材料。部分尼龙用作合成纤维,其强度甚至可同碳纤维媲美,是重要的增强材料,在航天工业中被大量应用。尼龙的不足之处是在强酸或强碱条件下不稳定,吸湿性强。下图为一些常见的尼龙制品。

尼龙网

尼龙布

尼龙的品种众多,主要有尼龙6、尼龙10、尼龙12、尼龙66尼龙1010、1212等。3D打印尼龙材料属于一种特殊的耐用性工程尼龙。耐用性尼龙材料是一种非常精细的白色粉粒,做成的样品强度高,同时具有一定的柔性,使其具有较强的抗冲击性能。它的表面有一种沙沙的、粉末的质感,也略微有些疏松。由于尼龙熔融温度比较高,而热变形温度较其他高分子材料相比较低,导致大多数尼龙熔化后的黏度较小,无法满足FDM工艺的要求,因此尼龙材料多数采用SLS工艺进行打印。

耐用性尼龙材料在3D打印中的应用

耐用性尼龙材料在3D打印中的应用主要包括以下几个方面:

  • 结构复杂的薄壁管道
  • 外壳产品制造
  • 叶轮和连接器
  • 运动用消费品
  • 汽车仪表盘和格窗
  • 装配设计
  • 接近最终产品性能的功能性原件
  • 适用于中小体积的快速制造
  • 符合生物适应性标准的医疗设备
  • 车床加工或用黏合剂黏合的零件
  • 结构复杂的产品和塑料原型件

耐用性尼龙材料在3D打印中的代表性应用实例

目前3D打印耐用性尼龙材料主要用于制造功能性测试的原型件、模具母模以及最终用途零件等。耐用性尼龙材料在3D打印中的一个突出用途就是在人工骨制造方面的应用:应用SLS技术对颅骨三维CT扫描数据进行烧结,得到完整的颅骨模型。与ABS等其他高分子材料相比,耐用性尼龙材料的加工温度稍高,其3D打印的制品韧性高于ABS的制品,冲击强度是PLA制品的10倍以上,因此常被用于高机械强度的零件制造。

利用尼龙材料3D打印的汽车零部件(图片来源:华曙高科)

2016年中国航天员所使用的种植生菜装置采用尼龙材料3D打印而成(图片来源:央视网)

尼龙因其轻质高强的特性早已广泛应用于服装领域,很多设计师们都在尝试使用尼龙作为原料进行服装的3D打印。2011年,Shapeways公司推出全球第一款利用SLS技术3D打印出来的比基尼泳衣。这种尼龙材料非常洁净、结实且富有弹性,是3D打印技术服装制品商业化的开端。

Shapeways利用尼龙材料打印的运动鞋(图片来源:shapeways)

尼龙材料突出的柔韧性、机械性能、较低的密度为3D打印在时尚界的发挥提供了广阔的施展空间。下图是一款3D打印的高跟鞋,这款鞋子的网状结构主要是由耐用性尼龙粉末材料构成。

耐用性尼龙材料打印的高跟鞋(图片来源:Continuum Fashion)

英国的欧洲航空防务与航天集团展示了一辆3D打印的自行车“Airbike”。Airbike用尼龙材料制造,打印技术为SLS(选择性激光烧结),与钢铝材料的坚固程度相当,但重量却比钢铝材料轻65%。

基于SLS技术制成的尼龙材料自行车“Airbike”

英国南安普顿大学的工程师制成了全球首款3D打印的飞机“SULSA”。这架飞机的外壳是利用SLS激光烧结技术制成,机身相当轻便,具有良好的强度。

利用尼龙材料3D打印的飞机

尼龙玻纤

用不同性能的材料进行复合,充分发挥优势互补,能够使其某些特定性能得到大幅度的提高,从而进一步拓宽应用领域。

玻璃纤维(Glass Fiber)是一种性能优异的无机非金属材料。其单丝直径从几微米到几十微不等,大约相当于一根头发丝的1/20~1/5。玻璃纤维作为复合材料中的增强材料、绝热保温材料和电绝缘材料广泛地应用于国民经济的各个领域。

玻璃纤维

尼龙玻纤由玻璃纤维加入尼龙材料复合而成。研究表明在尼龙中加入30%的玻璃纤维,其强度、稳定性、耐热性和耐老化性能均有明显提高。尼龙玻纤改善了单一的尼龙材料热收缩率高和尺寸稳定性差的缺陷,使其更加吻合作为3D打印材料的需要。另外,由于玻纤对尼龙性能的提高以及熔体流变性能的改变,使尼龙玻纤不仅能够用于SLS技术的打印,还能充分满足FDM工艺的打印需要。

利用尼龙玻纤制成的自行车踏板(图片来源:南极熊)

3D打印的汽车歧管,打印技术:SLS(图片来源:华曙高科)

在汽车领域中,世界首辆3D打印汽车原型Urbee于2013年问世,由Urbee团队设计而成,其主要材料是尼龙玻纤。Urbee团队对尼龙玻纤的使用有丰富的经验,尼龙玻纤材料被应用于汽车玻璃钢罩、挡泥板、车顶,以及汽车制造模具的打印中。在整个制作过程中,他们将尼龙玻纤材料切割成圆形横截面的薄层后再挤压成丝状,利用FDM打印机打印制作而成。尼龙玻纤从喷头挤压出来的丝状材料甚至能达到人的头发丝那么细,从而有效保证了打印产品的精细度。整个车的零件打印只需耗时2500小时,生产周期远小于传统汽车制造周期。

3D打印汽车Urbee

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编辑于 2017-04-06

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