3D打印材料解析：聚氨酯和碳的RPU

聚氨酯是类似橡胶的材料，全世界约有75％的用途是用于硬质和软质泡沫。应用包括室内装潢，泡沫密封件和垫片，弹性车轮和轮胎，汽车悬架衬套等。

尽管有热塑性聚氨酯，但大多数聚氨酯是热固性的，这意味着它们在加热时不会熔化。在3D打印中，热固性材料是桶型光聚合技术的领域，该技术使用紫外线来硬化光敏聚合物树脂。

聚氨酯是通过异氰酸酯（由称为胺的氨的衍生物制成的一类化学物质）与多元醇（具有多组氧与氢键合的有机材料）之间的反应生成的。多元醇有助于聚合物的柔韧性，交联的量决定了它的韧性或刚性。

具有低交联度的长链会产生可拉伸的材料，具有大量交联键的短链会导致其变硬。具有中间交联的长链产生了可用于泡沫材料的聚合物。

聚氨酯合成，其中氨基甲酸酯基团NH-（C = O）-O-连接分子单元。

在聚氨酯的生产中，异氰酸酯与水反应生成氨基甲酸酯和脲键。在Carbon的RPU 130（一种刚性聚氨酯）的情况下，这些键对于所得的物理性能是必需的。

Carbon的材料高级副总裁Jason Rolland向3DPrint.com解释说：“ RPU 130是一种刚性的双固化聚氨酯-脲材料。材料中氨基甲酸酯和脲键的存在允许发生显着的氢键。这使材料具有很高的韧性以及很高的软化温度。”

Carbon的数字光合成（DLS）技术是公司特定形式的数字光投影（DLP），其中将紫外线投射到一桶光敏聚合物树脂上，并通过使用透氧窗对材料进行连续固化迅速地。此过程可实现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。

尽管3D打印中使用的大多数光敏聚合物会产生较弱，较脆的零件，更适合用于原型制作，但DLS制成的组件由于在打印过程完成后便会进行加热，因此具有工程级的机械特性。

Carbon解释了它是如何工作的：

Rolland说：“ Carbon开发的双固化材料，包括RPU 130，是光固化和热固化化学物质的混合物。” 当树脂反复暴露在图案化的紫外线下时，光固化基团在印刷过程中会活化并聚合。这使我们可以在打印过程中精确定义零件的形状。在后烘烤过程中触发热活性基团，形成一个单独的聚合物网络。材料的最终性能由紫外线和热聚合物网络决定。”

由于光敏聚合物的上述问题，从历史上看，它们不适合通过3D打印进行最终零件生产。但是，像Carbon这样的公司所取得的进步正在改变这一状况。Carbon告诉3DPrint.com，光敏聚合物的性质导致试图在冲击强度和热特性之间取得平衡，而这对热塑性塑料的阻碍较小。

“紫外线固化材料的主要挑战是在冲击强度和热性能之间进行权衡。通常，您需要选择一个。尼龙等热塑性塑料在平衡这些特性方面做得更好。RPU 130的独特之处在于它具有很高的冲击强度（在Gardner冲击试验中大于30 J）和很高的热变形温度（120 oC），” Rolland解释说。

“通过RPU 130实现的性能组合使其在增材制造领域具有高度差异性；它是各种应用中ABS，尼龙或聚丙烯等普通热塑性塑料的理想替代品。使用RPU 130和Carbon的技术证明了可显着节省成本的小批量汽车零件生产 。RPU 130潜在的工业和消费产品应用的其他示例包括用于车辆，太阳镜，工具外壳和设备外壳的风道和制动钳盖。”

正如我们在其他地方所讨论的那样，迫切需要将我们的塑料生产从化石燃料来源转变为可再生来源。正在进行大量的研究工作，以寻求开发用于3D打印的基于植物的光敏聚合物，其中许多具有广阔的前景。

装配技术制造商ARaymond打印的3D管道固定器紧固件，用于汽车生产。图片由Carbon提供。

在将这些材料扩大到商业规模之前，像Carbon这样的公司正在尝试使用更多的可再生材料作为其材料。罗兰德谈到碳素公司的硬质聚氨酯：

“近30％的RPU 130由称为Susterra丙二醇的植物性原料组成，该原料是杜邦Tate＆Lyle Bio Products生产的玉米原料。这完全符合Carbon在开发新材料时对可持续性原则的承诺。新型聚合物材料创新可以与环保原则相结合。RPU 130显示出增强的材料性能和改善的材料可持续性不一定是相反的目标。

植物来源的原料通常比石油来源的原料具有更低的碳足迹，而Susterra丙二醇（经USDA认证的100％基于生物的产品）可减少48％的温室气体排放，并减少来自摇篮的不可再生能源46％。与传统的基于石油的替代品相比”。

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