聚氨酯是類似橡膠的材料,全世界約有75%的用途是用於硬質和軟質泡沫。應用包括室內裝潢,泡沫密封件和墊片,彈性車輪和輪胎,汽車懸架襯套等。
儘管有熱塑性聚氨酯,但大多數聚氨酯是熱固性的,這意味著它們在加熱時不會熔化。在3D列印中,熱固性材料是桶型光聚合技術的領域,該技術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製成的一類化學物質)與多元醇(具有多組氧與氫鍵合的有機材料)之間的反應生成的。多元醇有助於聚合物的柔韌性,交聯的量決定了它的韌性或剛性。
具有低交聯度的長鏈會產生可拉伸的材料,具有大量交聯鍵的短鏈會導致其變硬。具有中間交聯的長鏈產生了可用於泡沫材料的聚合物。
聚氨酯合成,其中氨基甲酸酯基團NH-(C = O)-O-連接分子單元。
在聚氨酯的生產中,異氰酸酯與水反應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,這些鍵對於所得的物理性能是必需的。
Carbon的材料高級副總裁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。」
Carbon的數字光合成(DLS)技術是公司特定形式的數字光投影(DLP),其中將紫外線投射到一桶光敏聚合物樹脂上,並通過使用透氧窗對材料進行連續固化迅速地。此過程可實現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。
儘管3D列印中使用的大多數光敏聚合物會產生較弱,較脆的零件,更適合用於原型製作,但DLS製成的組件由於在列印過程完成後便會進行加熱,因此具有工程級的機械特性。
Carbon解釋了它是如何工作的:
Rolland說:「 Carbon開發的雙固化材料,包括RPU 130,是光固化和熱固化化學物質的混合物。」 當樹脂反覆暴露在圖案化的紫外線下時,光固化基團在印刷過程中會活化並聚合。這使我們可以在列印過程中精確定義零件的形狀。在後烘烤過程中觸發熱活性基團,形成一個單獨的聚合物網絡。材料的最終性能由紫外線和熱聚合物網絡決定。」
由於光敏聚合物的上述問題,從歷史上看,它們不適合通過3D列印進行最終零件生產。但是,像Carbon這樣的公司所取得的進步正在改變這一狀況。Carbon告訴3DPrint.com,光敏聚合物的性質導致試圖在衝擊強度和熱特性之間取得平衡,而這對熱塑性塑料的阻礙較小。
「紫外線固化材料的主要挑戰是在衝擊強度和熱性能之間進行權衡。通常,您需要選擇一個。尼龍等熱塑性塑料在平衡這些特性方面做得更好。RPU 130的獨特之處在於它具有很高的衝擊強度(在Gardner衝擊試驗中大於30 J)和很高的熱變形溫度(120 oC),」 Rolland解釋說。
「通過RPU 130實現的性能組合使其在增材製造領域具有高度差異性;它是各種應用中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的技術證明了可顯著節省成本的小批量汽車零件生產 。RPU 130潛在的工業和消費產品應用的其他示例包括用於車輛,太陽鏡,工具外殼和設備外殼的風道和制動鉗蓋。」
正如我們在其他地方所討論的那樣,迫切需要將我們的塑料生產從化石燃料來源轉變為可再生來源。正在進行大量的研究工作,以尋求開發用於3D列印的基於植物的光敏聚合物,其中許多具有廣闊的前景。
裝配技術製造商ARaymond列印的3D管道固定器緊固件,用於汽車生產。圖片由Carbon提供。
在將這些材料擴大到商業規模之前,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生產的玉米原料。這完全符合Carbon在開發新材料時對可持續性原則的承諾。新型聚合物材料創新可以與環保原則相結合。RPU 130顯示出增強的材料性能和改善的材料可持續性不一定是相反的目標。
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USDA認證的100%基於生物的產品)可減少48%的溫室氣體排放,並減少來自搖籃的不可再生能源46%。與傳統的基於石油的替代品相比」。
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