尼龍材料:第一件3D列印服裝

2021-01-15 3D智慧灣

一提到尼龍，你一定會聯想到服裝行業的尼龍應用。其實尼龍材料是最重要的工程塑料之一，在3D列印領域具有其他材料無可比擬的優勢。尼龍產品應用廣泛，幾乎覆蓋每一個領域，是五大工程塑料中應用最廣的品種。今天就重點講講尼龍材料，我主要跟你分享兩類尼龍材料：耐用性尼龍材料和尼龍玻纖。


尼龍（Nylon）又叫聚醯胺纖維，英文名Polyamide（簡稱PA）。尼龍外觀為白色至淡黃色顆粒，製品表面有光澤且堅硬。尼龍材料有很好的耐磨性、韌性和抗衝擊強度，可用作具有自潤滑作用的齒輪和軸承的製備。尼龍耐油性好，無嗅無毒，可作為食品的包裝材料。部分尼龍用作合成纖維，其強度甚至可同碳纖維媲美，是重要的增強材料，在航天工業中被大量應用。尼龍的不足之處是在強酸或強鹼條件下不穩定，吸溼性強。下圖為一些常見的尼龍製品。


尼龍網和尼龍布


尼龍的品種眾多，主要有尼龍6、尼龍10、尼龍12、尼龍66尼龍1010、1212等。3D列印尼龍材料屬於一種特殊的耐用性工程尼龍。耐用性尼龍材料是一種非常精細的白色粉粒，做成的樣品強度高，同時具有一定的柔性，使其具有較強的抗衝擊性能。它的表面有一種沙沙的、粉末的質感，也略微有些疏鬆。由於尼龍熔融溫度比較高，而熱變形溫度較其他高分子材料相比較低，導致大多數尼龍熔化後的黏度較小，無法滿足FDM工藝的要求，因此尼龍材料多數採用SLS工藝進行列印。


耐用性尼龍材料在3D列印中的應用

耐用性尼龍材料在3D列印中的應用主要包括以下幾個方面：


結構複雜的薄壁管道

外殼產品製造

葉輪和連接器

運動用消費品

汽車儀錶盤和格窗

裝配設計

接近最終產品性能的功能性原件

適用於中小體積的快速製造

符合生物適應性標準的醫療設備

車床加工或用黏合劑黏合的零件

結構複雜的產品和塑料原型件


耐用性尼龍材料在3D列印中的代表性應用實例

目前3D列印耐用性尼龍材料主要用於製造功能性測試的原型件、模具母模以及最終用途零件等。耐用性尼龍材料在3D列印中的一個突出用途就是在人工骨製造方面的應用：應用SLS技術對顱骨三維CT掃描數據進行燒結，得到完整的顱骨模型。與ABS等其他高分子材料相比，耐用性尼龍材料的加工溫度稍高，其3D列印的製品韌性高於ABS的製品，衝擊強度是PLA製品的10倍以上，因此常被用於高機械強度的零件製造。


利用尼龍材料列印的汽車零部件（圖片來源：華曙高科）


2016年中國航天員所使用的種植生菜裝置採用尼龍材料3D列印而成（圖片來源：央視網）


尼龍因其輕質高強的特性早已廣泛應用於服裝領域，很多設計師們都在嘗試使用尼龍作為原料進行服裝的3D列印。2011年，Shapeways公司推出全球第一款利用SLS技術3D列印出來的比基尼泳衣。這種尼龍材料非常潔淨、結實且富有彈性，是3D列印技術服裝製品商業化的開端。


尼龍材料製成的比基尼泳衣（圖片來源：Shapeways）


Shapeways利用尼龍材料列印的運動鞋（圖片來源：shapeways）


尼龍材料突出的柔韌性、機械性能、較低的密度為3D列印在時尚界的發揮提供了廣闊的施展空間。下圖是一款3D列印的高跟鞋，這款鞋子的網狀結構主要是由耐用性尼龍粉末材料構成。


耐用性尼龍材料列印的高跟鞋（圖片來源：Continuum Fashion）


英國的歐洲航空防務與航天集團展示了一輛3D列印的自行車「Airbike」。Airbike用尼龍材料製造，列印技術為SLS（選擇性雷射燒結），與鋼鋁材料的堅固程度相當，但重量卻比鋼鋁材料輕65%。


基於SLS技術製成的尼龍材料自行車「Airbike」


英國南安普頓大學的工程師製成了全球首款3D列印的飛機「SULSA」。這架飛機的外殼是利用SLS雷射燒結技術製成，機身相當輕便，具有良好的強度。


利用尼龍材料3D列印的飛機


用不同性能的材料進行複合，充分發揮優勢互補，能夠使其某些特定性能得到大幅度的提高，從而進一步拓寬應用領域。


玻璃纖維（Glass Fiber）是一種性能優異的無機非金屬材料。其單絲直徑從幾微米到幾十微不等，大約相當於一根頭髮絲的1/20～1/5。玻璃纖維作為複合材料中的增強材料、絕熱保溫材料和電絕緣材料廣泛地應用於國民經濟的各個領域。


玻璃纖維


尼龍玻纖由玻璃纖維加入尼龍材料複合而成。研究表明在尼龍中加入30%的玻璃纖維，其強度、穩定性、耐熱性和耐老化性能均有明顯提高。尼龍玻纖改善了單一的尼龍材料熱收縮率高和尺寸穩定性差的缺陷，使其更加吻合作為3D列印材料的需要。另外，由於玻纖對尼龍性能的提高以及熔體流變性能的改變，使尼龍玻纖不僅能夠用於SLS技術的列印，還能充分滿足FDM工藝的列印需要。


利用尼龍玻纖製成的自行車踏板（圖片來源：南極熊）


3D列印的汽車歧管，列印技術：SLS（圖片來源：華曙高科）


在汽車領域中，世界首輛3D列印汽車原型Urbee於2013年問世，由Urbee團隊設計而成，其主要材料是尼龍玻纖。Urbee團隊對尼龍玻纖的使用有豐富的經驗，尼龍玻纖材料被應用於汽車玻璃鋼罩、擋泥板、車頂，以及汽車製造模具的列印中。在整個製作過程中，他們將尼龍玻纖材料切割成圓形橫截面的薄層後再擠壓成絲狀，利用FDM印表機列印製作而成。尼龍玻纖從噴頭擠壓出來的絲狀材料甚至能達到人的頭髮絲那麼細，從而有效保證了列印產品的精細度。整個車的零件列印只需耗時2500小時，生產周期遠小於傳統汽車製造周期。


3D列印汽車Urbee

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