在塑料的世界里，设计师有很多不同的选择。有这么多的塑料材料，事实上，选择合适的过程3D打印塑料对于原型和随后的塑料生产来说，这似乎令人生畏。本文试图阐明可用的塑料材料的主要类型，以及每种材料的应用。
概述:不同类型的塑料材料
塑料是一种合成材料，用于多种不同的用途。它们通常由石化产品制成，但也可以由一些天然成分制成。一些常见的塑料包括尼龙、缩醛和高密度聚乙烯。
虽然塑料的两种主要类型是热塑性塑料和热固性塑料，这篇文章将侧重于塑料的力学行为分组，具体如下:
硬质塑料
简而言之，这些是我们用于电子外壳、足球头盔、电动工具本体、胶带分配器和砧板等项目的塑料。它们的柔韧性比弹性体弱，但却强得多。它们通常按照Shore D量表进行评级，下面将详细说明。一些普通的硬质塑料是防抱死制动系统,尼龙,HDPE,聚碳酸酯．
弹性体
弹性体也被称为橡胶，是一类聚合物，其特点是低弹性模量和高应变失效。换句话说，它们是“有弹性的”。一些常见的弹性体有硅橡胶、丁腈橡胶、丁腈橡胶和聚氨酯橡胶。下图是一个由液态硅橡胶化合物制成的部件。
更具体地说，该组分是铂催化硅橡胶，其在室温下在光压力下固化。
纤维增强塑料
这些塑料具有分散在塑料内部的增强纤维，以增加硬度、强度和耐磨性。常见的例子包括玻璃纤维和碳纤维层。切好的纤维也很常见注射模制塑料．下面的图片显示了一个口袋刀的手柄有一个尼龙塑料与玻璃纤维填充。
这把刀已经被每天随身携带了两年多了，而且几乎没有磨损。这主要归功于玻璃填充塑料的机械性能。
一些SLS打印部件可能有玻璃填充尼龙粉末，这会产生比标准尼龙硬度高得多的部件。选择这样一个选项将是复制上述句柄的一个好选择。
改性塑料添加剂
在基础塑料中加入添加剂以产生各种理想特性也是很常见的。一些常见的添加剂有：抗菌剂、抗静电剂、增塑剂、颜料、紫外线稳定剂、填料和阻燃剂。有更多的选择，所以如果你有一个特殊的需要超出了普通添加剂，我建议联系一个塑料材料供应商。
需要考虑的重要机械性能
不管塑料的类型是什么，在选择最佳材料时，都需要了解一些基本的材料特性。
屈服强度
这是在材料永久变形之前可应用于材料的最大应力。我的文章在这里关于这个话题，我们将进行更详细的讨论。在几乎所有情况下，需要知道的重要一点是，在使用过程中，您希望材料应力保持在材料屈服强度以下。
下面的图片详细描述了塑料构件的原始状态，以及加载超过其屈服强度后的情况。
正如我们所见，由于过度受力，这部分现在已经永久变形了。我们不能期望这部分的性能像它的设计，因为我们已经超过了材料的屈服强度。
极限强度
极限强度很像屈服强度，除了它是在该部分完全失效的应力。下面的图片显示了上面的相同组件，它被加载得更远，并且完全分离。
扬斯模量
也称为弹性模量，这是施加荷载时材料将“拉伸”的量。如果我们保持低于屈服强度，则在移除负载后，零件将恢复其原始形状。关于这一概念的更多细节将在上面提到的文章中详细介绍。
下图显示了由弹性体在两种情况下制成的钓鱼诱饵：原始状态和拉伸状态。
虽然材料已经拉伸了相当长的距离，但当移除负载时，它将恢复到原始状态。弹性体也常用于垫圈和密封件。下图显示了我的压力室盖底部的弹性垫圈。
该弹性体在腔室保持加压的同时保持60 psi，防止捕获空气泄漏。类似的垫圈也可以在搅拌机、旅行咖啡杯和许多其他物品上找到。
硬度计
不同的塑料和橡胶具有不同的硬度值，称为材料的硬度计。更具体地说，本文通常使用肖氏硬度标度。在肖氏硬度中，按硬度增加的顺序分为三类：00、A和D。铅笔橡皮擦在肖氏A标尺上的硬度约为40，而塑料安全帽在肖氏D标尺上的硬度则接近80。
伸长
伸长率是指一种材料能够拉伸的程度。如果应力保持在屈服点以下，在大多数情况下，部件会恢复到原来的形状。如果应力超过屈服点，但低于材料的极限强度，部件会变形，但仍然完好无损。如果应力超过极限强度，部件将会像上面所示的那样分离。
与大多数其他材料相比，塑料和弹性体通常有较高的伸长率，前者在弹性区域有较高的伸长率。标准塑料不能像弹性体那样拉伸，但它们通常也具有塑性变形后的高伸长率的特点。
摩擦系数
摩擦力系数是描述运动的力与垂直于法向力的物体的比例的术语。更简单地说，它描述了物体在材料上滑动的好坏。这对于将用于滑动或动态接触应用程序的项目是重要的。有些轴承是由聚四氟乙烯(聚四氟乙烯)的材料，因为低摩擦系数。
其他重要的物质属性
除了常见的材料机械性能列表外，根据您的预期用途，还有一些塑料的附加性能可能很重要。这些财产如下：
- 生物相容性–并非所有塑料在生物医学应用中都是安全的，但那些可以被认为是生物相容的。这些是塑料，可以在体内使用而不会产生不良反应。一些常见的生物相容性塑料包括：偷看聚乙烯、聚氯乙烯（医用级）、聚丙烯、聚四氟乙烯等。这些材料大多是注塑、挤压或其他热成型方法。然而，有一些等级的3D打印生物材料，如MED610和ULTEM CG，可以在认证状态下采购。尼龙和VisiClear也适用于某些应用……可以在这篇文章. 请记住，即使特定材料具有生物相容性，也必须有其他控制措施来证明其具有生物相容性。这就是stratasys在认证和未认证选项中提供ULTEM 1010的原因。
- 抗菌–抗菌材料抑制微生物生长，甚至可能破坏微生物。通常，它是一种塑料的表面处理，通过专门的工艺嫁接到表面上。它也可以由表面粗糙度和排水能力驱动。很少会有抗菌3D打印表面，但HDPE、PETE、PP和SAN等人造塑料是常见的处理选择。在你生命中的某个时刻，你可能已经见过抗菌HDPE切割板。
- 可制造性和加工能力–这是一个广泛的类别，简单描述了通过不同工艺制造塑料的能力。例如，PEEK可以注塑、挤压，数控切割， pultrude，等等。液态硅橡胶将主要局限于成型的形式。普通热塑性塑料通常可以通过比热固性塑料更多的方法制造，但并不总是如此。
- 耐温性–塑料的工作温度范围有限，尤其是与金属或陶瓷相比。因此，重要的是要选择一种能够在您的操作条件下生存的塑料。例如，3D打印乌尔特姆和PPS有人发脾气吗U重新选择。
- 光学性质–某些部件可能需要透光或遮光的能力。对于光管，您需要透明材质，如VeroClear或Acura 60。对于容纳光管的外壳，您很可能希望防止光泄漏或传输。有一篇关于如何设计光管的好文章在这里．
- 尺寸稳定性和吸湿性-由于机械稳定性，一些塑料在尺寸上比其他塑料更稳定。这可以由几个因素驱动，其中一个常见的是水分吸收。聚氨酯和尼龙等塑料会吸收相当数量的水分，而这些部分会逐渐增长。这种情况也发生在ABS上，当真空成型时，它会导致起泡问题。当谈到3D打印时，了解由3D打印机制造的材料的尺寸限制也很重要。一些材料，如PLA，不能达到尺寸精度水平的材料，如VeroWhite/黑罐头。
- 食品安全-与生物相容性类似，食品安全是一个术语，用于描述安全用于储存或盛放食品的塑料，它取决于材料认证。例如，HDPE通常用于储存牛奶罐等食品，但并非所有HDPE都被认为是食品安全的。
设计指南:3D打印材料vs生产材料
当涉及到3D打印和生产水平的制造，一种技术可用的塑料可能不能用于下一种技术。3D打印材料选择比数控加工或注塑件，因为难以打印某些材料，但技术之间存在一些共同的材料以及将成为弥合差距的紧密代表的材料。为了获得最接近的匹配，我们在下表中创建了一些指导原则。
如果您想使用3D打印来制作原型组件，同时尽可能接近可能需要更高数量制造的最终产品，您需要选择最接近的材料匹配。最好的方法是指定要复制的键属性。我建议从零件功能固有的关键性能开始，然后再到上面列出的常见机械性能。
下面是一个例子：
说你想设计光管，根据产品对光传输的需求而创造。因为你需要光传输，你的材料选择将仅限于塑料透明材料．
如果你在研究一个结构应用，你需要关注的关键特性是杨氏模量和屈服强度，因为你想要复制挠度和失效点。
如果我们回到光管的例子，让我们假设您计划使用亚克力作为生产部件。在这种情况下，Acura 60比VisiClear更接近，如下表所示:
这个表并不全面，但希望它能给您提供一个更好的指示，说明如何将3D打印组件的模量与制造/生产级别的对应件匹配。此外，请注意，这个表只是通过增加模量来订购材料，并没有将最佳匹配的材料放在一起。也就是说:如果我们想要模拟生产级ABS，我们最有可能使用3 d印制ABS而不是中国人民解放军在它旁边列出的。
此外，该表还忽略了额外的力学性能，如伸长率和屈服强度。例如，VeroWhite的模量接近于聚碳酸酯(PC)，但延伸率有很大的不同。VeroWhite的伸长率在10-25%之间，而未填充PC的伸长率在60 - 100%之间。这意味着材料的性能可能与屈服强度相同，但VeroWhite在屈服点之后会很快失效，因为它不具备相同的延伸能力。
主要外卖
塑料的种类繁多，组合的范围也更广。在设计阶段，重要的是首先要确定原型的关键要求，以及未来生产部件的关键要求，以告知适当的材料选择。
根据这些要求，可以根据可用的原型选择合适的塑料，以获得最接近最终生产单元的代表。这将最终减少最终产品中的不确定性和风险，同时增加新产品开发过程中的学习率。
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