魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（三）：了解基本的材料

魔猴君  知識堂   600天前

魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（一）：為什么要使用數(shù)字化制造？

魔猴網(wǎng)數(shù)字化制造簡明手冊（二）：增材制造和減材制造的比較

這一章，魔猴網(wǎng)將和大家一起

1.了解熱塑性塑料、熱固性塑料和光敏聚合物（光敏樹脂）

2.了解塑料和類塑料材料

3.了解硬金屬和軟金屬材料

4.選擇合適的工藝

數(shù)字化制造技術(shù)包含可以加工多種材料的不同工藝。 為了選擇最合適的材料來生產(chǎn)您的零件，您需要了解哪些材料可用于哪些工藝以及這些材料的一些特性。 本章魔猴網(wǎng)著眼于基本的幾種不同的材料類別，不僅可以幫助您了解有哪些可能的材料選項，還可以幫助您了解哪些材料是最適合您的需求。

了解熱塑性塑料、熱固性塑料和光敏聚合物（光敏樹脂）

在 1967年的美國電影《畢業(yè)生》中，達(dá)斯汀·霍夫曼飾演的男主被告知塑料是一個很有前途的行業(yè)。 男主是否認(rèn)同這個看法我們無從得知，但五十多年過去了，我們現(xiàn)在已經(jīng)知道制造行業(yè)肯定是認(rèn)同了此看法，現(xiàn)在塑料在制造業(yè)被廣泛使用，包括多種類型的塑料及類塑料，覆蓋了幾乎所有的工業(yè)類別，而且已經(jīng)變?yōu)槲覀兊纳钪胁豢煞指畹囊徊糠帧?/span>

對于新手外行來說，塑料有很多不同類型，到底不同塑料之間有什么區(qū)別和聯(lián)系呢？這種困惑通常是因為以下幾個原因：

? 對材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系沒有概念。

? 產(chǎn)品材料的性能通常沒有被足夠的重視，沒有被分配足夠的時間和精力。

? 即使克服了上述兩個障礙，也很難找到準(zhǔn)確的材料屬性數(shù)據(jù)。

為您的產(chǎn)品選擇合適的材料會涉及到將各種來源的數(shù)據(jù)，每個來源的數(shù)據(jù)有可能不完整，有重疊有沖突，您需要把這些各不完整，甚至相互毛肚的材料性能數(shù)據(jù)整合在一起。 對一種材料，最主要應(yīng)該看它的材料數(shù)據(jù)表（MDS，Material Data Sheet），一個中肯的建議是您應(yīng)該盡可能從該表中獲取盡可能多的信息。 有時也可以從各個材料供應(yīng)商發(fā)布的設(shè)計手冊和應(yīng)用說明中獲得更詳細(xì)的信息，用來可以填補(bǔ)材料數(shù)據(jù)表中的空白。 完整詳盡的材料信息一般是高性能工程和特種材料才會有（為顯示性能的優(yōu)越性），而常見的一些商品材料可能會有信息缺失。 如果您真的需要了解一個材料，你除了查找資料之外，可能還需要做一些試驗和測試工作。

熱塑性塑料

熱塑性塑料是一種在一定溫度以上變軟，變得可模塑，然后在冷卻時固化，并且這一過程往返重復(fù)，所以熱塑性塑料通常用于注塑成型，也一般都可以再次回收利用。

熱塑性塑料在加熱時發(fā)生的情況用專業(yè)術(shù)語講就是是相變。 材料經(jīng)歷相變的一個非常常見的例子是水在零度以下會變成冰，冰在零度以上會變?yōu)樗?/span> 低于這個相變溫度，材料是固態(tài)，高于這個溫度，材料是液態(tài)。

一些常見的熱塑性塑料

?乙縮醛 Acetal，也稱為 Delrin

? 亞克力(Acrylic,PMMA,Polymethyl methacrylate）

? 丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS，Acrylonitrile butadiene styrene)

? 尼龍 Nylon (PA,Polyamide)

? 聚碳酸酯 (PC Polycarbonate )

? 聚乙烯 (PE Polyethylene )

? 聚乳酸 (PLA, Polylactic acid )

? 聚丙烯 (PP, Polypropylene )

? 聚苯乙烯 (PS,Polystyrene )

? 聚四氟乙烯 (PTE,Polytetrafluoroethylene)，也稱為 Teflon

? 聚氯乙烯 (PVC,Polyvinyl chloride )

熱固性塑料

熱固性這個名稱可能看起來有點令人困惑，尤其是與熱塑性塑料相比（參見上一節(jié)）。 熱固性材料是一種不可逆固化的材料，而不是加熱可以重新軟化的材料。 記住這兩種塑料區(qū)別最簡單方法可能是，熱塑性塑料加熱可逆，而熱固性塑料則是永久變形。

熱固性材料根據(jù)材料的成分不同，可以通過化學(xué)反應(yīng)固化或輻射固化。 液態(tài)硅膠是一種常見得可模塑的熱固性材料。

熱固性材料通常比熱塑性材料更強(qiáng)固，也可以用于各種成型工藝。

常見的熱固性塑料有：

?電木

? 環(huán)氧樹脂

? 三聚氰胺

? 聚氨酯（也存在于熱塑性塑料中，但較少見）

? RTV 硅膠

? 硅橡膠

光敏聚合物

光敏聚合物是一種塑料，液態(tài)未固化前多稱為光敏樹脂，光敏樹脂在光照時會改變其特性，發(fā)生固化反應(yīng)。 這些塑料通常使用紫外線固化，并且固化速度非?？?。 光敏樹脂通常用于3D 打印及類似工藝（如UV打印等）。光敏聚合物往往比其他類型的塑料更脆，并且在暴露于陽光或高濕度時通常不穩(wěn)定。與熱固性材料一樣，光敏聚合物也經(jīng)歷了一個不可逆的固化過程，一旦固化就不能再軟化。 當(dāng)用于3D打印等工藝時，光敏樹脂會逐層固化。 通常通過一個UV 激光頭在樹脂上繪制（和固化）一層零件，然后將工作臺下降一層的高度， 然后再繪制下一層并固化，該過程不斷進(jìn)行，直到整個零件形成。

光敏樹脂是數(shù)字制造中的重要的原材料之一，人們開發(fā)了很多光敏樹脂用來制作具有一定特性的光聚合物。

比較塑料和類塑料

從技術(shù)角度來看，并非所有看似塑料的東西就都是塑料。 熱固性塑料和光敏聚合物的性能行為與真正的“塑料”不同，雖然對普通人來說分不清楚很正常。但如果您想成為一個專家，又或者只是有興趣稍微多了解一些，比較塑料和類似塑料還是很有趣的。

立體光刻（一種常用的增材制造工藝，可以簡稱為 SLA）原材料是光敏樹脂而不是熱塑性塑料，因此在一些關(guān)鍵特性上是不同于普通的工程級樹脂。 盡管如此，這些類塑料對設(shè)計師和工程師來說仍然非常有用，只要它們在某些維度上與預(yù)期的最終生產(chǎn)材料相匹配，那么它們還是可以用于外觀、裝配和有限的功能測試。 通常，設(shè)計師和工程師最看重的屬性是剛度（技術(shù)術(shù)語拉伸模量）， 因此，如果原材料是類 ABS 材料時，它通常指該材料與ABS的剛度類似，而其他材料屬性有可能會差別很大。

光敏材料與工程級熱塑性塑料最常見的性能不同是斷裂伸長率（斷裂前的拉伸程度，以百分比衡量）和耐溫能力（軟化前的溫度）。光敏聚合物的斷裂伸長率和耐溫能力都遠(yuǎn)不如對應(yīng)的工程塑料。

所有光敏聚合物都對氧氣具有長期敏感性，也就是長期暴露在氧氣環(huán)境各項性能會老化而退化，并且這種敏感性隨著溫度的增高會增加。 衡量老化的將能指標(biāo)為相對熱指數(shù) (Relative Thermal Index, RTI)。 這是目前測量老化對光敏聚合物機(jī)的械和電氣性能的長期影響的最佳方法。 RTI 從測量關(guān)鍵基線屬性開始， 然后測試樣品在多個溫度下的老化，監(jiān)測其基線屬性，直到它們下降到原始值的 50%。 達(dá)到 50% 性能所需的時間稱為失效時間。

選擇合適的塑料

如果不了解一個零件的完整的應(yīng)用性能要求，就不能做出完全準(zhǔn)確的材料選擇。但如果提前為選材料做太多的工程計算有時候又不太劃算，那么我們該如何為產(chǎn)品選一個合適的材料呢？下面我們提供一些快速選擇塑料的經(jīng)驗法則：

? 試試 ABS。 ABS 適用于很多很多應(yīng)用。它價格合理，堅固，相對堅韌，外觀不錯，即使您不遵循塑料零件的所有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計規(guī)則，它也很寬容。不過它的熔點確實相對較低。

? 如果需要更便宜和更剛強(qiáng)，并且外觀不是很重要，請嘗試聚丙烯 (PP)。

? 如果您需要比 ABS 更堅固或能夠承受更高溫度的東西，請嘗試使用聚碳酸酯 (PC)，PC不如ABS那么可以容錯設(shè)計規(guī)則，需要了解塑料零件的設(shè)計規(guī)則。。

? 如果需要美觀和透明，請嘗試亞克力（PMMA）。 PMMA 可能有點脆。

透明的 PC 會比 PMMA 更堅固，但在美觀上會少一些。

? 如果這些規(guī)則沒有選出合適的材料，那么你需要做數(shù)學(xué)和工程分析。

如果您打算使用注塑成型來制作零件，您可以制作模具之前，先用不同的候選目標(biāo)材料機(jī)加工幾個零件，確定最終材料后再制作模具。這是模具在設(shè)計時是需要匹配了特定材料的屬性，樹脂在固化時會收縮，不同樹脂收縮率不一樣，因此可能無法在同一模具中使用多種樹脂，不同樹脂可能會對零件尺寸、公差和精度造成風(fēng)險。

認(rèn)識硬金屬和軟金屬

顯然，并不是所有零件都是塑料制成，金屬也是很常見，很多時候也是更合適的選擇。 金屬的種類非常多，零件制造中可以簡單地分為硬金屬或軟金屬。

軟金屬：鋁、銅、鎂

鋁是地球含量上最豐富的金屬，也是僅次于氧和硅的第三大常見元素，事實上鋁占地殼總質(zhì)量的8%！

鋁柔軟且具有高度延展性，因此它本身不適合用于機(jī)械用途。鋁通常與其他元素混合，包括硅、銅、鎂和鋅，然后經(jīng)過熱處理，制成如今用于機(jī)身、汽車和各種消費品的堅固、輕質(zhì)鋁合金。

另一種流行的輕質(zhì)材料是鎂。鎂大約是鋁合金重量的三分之二，但強(qiáng)度幾乎相同，是所有結(jié)構(gòu)金屬中最輕的。鎂是重要的比強(qiáng)度首選材料。它具有出色的阻尼特性，易于加工，易于成型或壓鑄。

另外一種軟金屬是銅，通常分為黃銅和（紫）銅。在這兩者中，黃銅是迄今為止用途最廣泛的銅合金，除了氨和一些酸含量高的環(huán)境外，它具有極強(qiáng)的耐候性和耐腐蝕性。如果您曾經(jīng)更換過汽車散熱器、焊接過廚房水龍頭或吹過沖鋒號，那么您就接觸過黃銅制成的零件。

硬金屬：鋼、不銹鋼、鈦、鈷鉻合金和鉻鎳鐵合金

有些零件需要用硬金屬制成。最常見的金屬制品是鋼，而鋼主要由鐵組成，鐵是僅次于鋁的第二豐富元素。人們在數(shù)千年以前便開始了煉鐵但直到19世紀(jì)中期，高質(zhì)量、大規(guī)模的鋼生產(chǎn)才成為可能。

與軟金屬一樣，少量的合金元素會對鋼的性能產(chǎn)生顯著影響——添加不到 1% 的碳和錳就是使脆鐵變成堅韌的1018鋼。適合飛機(jī)使用的 4140 合金鋼是由同樣少量的鉻和鉬粉混合而成。

通過這樣的混合添加，碳鋼可以在一定程度上硬化，并且易于焊接。但還有一個問題：它們會生銹，使電鍍或涂漆成為幾乎所有涉及碳鋼的應(yīng)用的要求。

為了防止生銹，不銹鋼被研制出來。通過將鉻的含量增加到至少 10.5%，耐腐蝕性能大大提高。不銹鋼廣泛用于化學(xué)工業(yè)、紡織加工和船舶應(yīng)用。許多不銹鋼也具有耐溫性，能夠承受 1480 攝氏度以上的溫度，這個溫度足以將鋁、黃銅和銅變成熔池。

3系不銹鋼(常見的有301,302,316等)至少含有 20% 的鉻以及相當(dāng)數(shù)量的鎳，因此變得很強(qiáng)硬，加工比較困難。

17-4 PH不銹鋼是一種用途廣泛，非常堅韌的材料，含有鎳、鉻和銅。雖然被認(rèn)為是不銹鋼系列的一部分，但它在退火狀態(tài)下的可加工性卻可以接近超級合金狀態(tài)——經(jīng)過熱處理，它很容易達(dá)到 45 Rc的硬度和1000MPa 或更高的抗拉強(qiáng)度，是碳鋼的三倍。它最常用于需要高強(qiáng)度和良好耐腐蝕性相結(jié)合的地方。

然后硬金屬還包含鈦。這種輕質(zhì)元素通常與鋁和釩合金化，提供堅固、耐腐蝕的材料。與鈷鉻合金一樣，鈦具有良好的生物相容性，廣泛用于接骨螺釘、銷釘和骨板。鈦還對有強(qiáng)烈減重需求的航空航天工業(yè)和高性能汽車制造商具有強(qiáng)勁的吸引力。

如果需要特別堅固耐用的合金，您可能會考慮鈷鉻合金或鉻鎳鐵合金。鉻鎳鐵合金含有 50% 或更多的鎳，使其在一定溫度范圍內(nèi)具有出色的強(qiáng)度。它用于滿足極端要求，例如燃?xì)廨啓C(jī)葉片、噴氣發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)盤，甚至核反應(yīng)堆和噴氣發(fā)動機(jī)燃燒室。在元素周期表上與鎳相鄰的是鈷，它是鈷鉻合金的主要成分。不幸的是，鈷鉻合金和鉻鎳鐵合金通常被認(rèn)為難以機(jī)加工，因此它們更常用于使用直接金屬激光燒結(jié) (SLM) 工藝的增材制造。

選擇正確的工藝

有時您會發(fā)現(xiàn)同樣的材料可以用于多個數(shù)字制造過程。 例如，尼龍,ABS等一些塑料材料既適用于 3D 打印，也適用于機(jī)加工，注塑成型。 同樣，某些金屬（如鋁和不銹鋼）可用于 3D打印、CNC機(jī)加工等工藝。

在多種工藝中使用的塑料和金屬該如何選擇？這涉及三個因素：

? 零件的最終用途

? 零件設(shè)計的復(fù)雜性

? 生產(chǎn)量

在接下來的4，5，6章節(jié)，我們將介紹主要的數(shù)字化制造工具，只有了解了這些工藝，才能根據(jù)具體情況作出正確的決策。