猎户座从静电耗散(ESD)材料获得提升

“回顾3D打印的历史，‘让我们找到打印良好的材料’，然后‘我们如何使用它们?’”Stratasys制造解决方案副总裁Scott Sevcik说。但他表示，在将3D打印应用于生产应用的过程中，该公司认识到“我们不能从‘什么材料适合我们?我们必须从“我们的客户需要哪些物业?”’”

这种方法在最近开发的Antero 800NA中发挥到了极致。Antero 800NA是一种基于pek的灯丝，用于Stratasys熔融沉积建模(FDM)打印机，将用于美国宇航局猎户座深太空飞船的部件。在过去，该公司可能是基于打印机的性能开发材料，而Antero是基于打印机参数和非常具体的应用要求开发的，这些要求来自NASA及其分包商，包括洛克希德·马丁公司。

想要的:防静电性能

2015年底，Stratasys收到了美国宇航局戈达德太空飞行中心关于Ultem 9085的请求，这是一种在航空航天应用中很受欢迎的高性能材料。NASA喜欢这种灯丝，但想要一种具有静电耗散(ESD)特性的变种，用于卫星应用。

ESD(静电放电)材料是那些传导电荷并因此能消散电荷的材料。在太空中，静电比在地球大气层中更容易积聚。Sevcik说:“这种电荷除了产生火花外没有其他地方可去，而那会损坏电子设备。”“一点火花就能造成数百万美元的损失。”与金属部件相比，聚合物部件的风险更大，因此NASA承包商发现了一种满足ESD要求的方法，即从Ultem材料中3D打印部件并进行电镀。但是，这第二步是耗时和劳动密集型的。

正是Goddard的这一要求首次激发了Antero作为一种定制材料的发展。几年后，塞夫西克从NASA约翰逊航天飞行中心(NASA Johnson Space Flight Center)、猎户座项目办公室以及该项目的承包商洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)那里听到了同样的要求。“他们几乎一字不差地问了我们一个问题，就像我们几年前问戈达德一样，”他说。那时，他可以说:“我们这里有一种正在加工的材料，我们认为可以很好地满足你们的需求。”

除了ESD性能，这些要求还包括强度和耐化学性。“他们需要一种比ABS更坚固的材料，不会漏气，”菲尼克斯分析与设计技术(PADT)科罗拉多州总经理Norman Stucker说，该公司为洛克希德·马丁公司提供定期支持。进一步的要求是:这种材料将是一种可以在Stratasys的FDM 3D打印机Fortus生产线上加工的灯丝。

从半结晶聚合物开始

为了开发这样一种材料，Stratasys公司首次尝试将静电放电功能整合到NASA已经喜欢的灯丝中:Ultem 9085。然而，很快就清楚了，这不是最好的行动方案。Sevcik说:“我们发现，如果使用不同的树脂，我们可以获得更好的性能。”策略从改变Ultem 9085转变为创造一种与其性能相匹配的材料，同时赋予其ESD性能和耐化学性的额外价值。这是一个“从‘需要什么功能属性?’然后发展我们的复合策略，创造出能够提供这些特性的材料，”Sevcik说。

为了达到耐化学性，Stratasys选择了PEKK作为基树脂，这在该公司的FDM长丝目录中是第一次。“我们知道，使用基于pek的材料，我们将能够在更极端的环境中生存，因为它可以暴露在几乎任何环境中，而不会降低材料的强度。”Sevcik说，他指出，即使在燃料、液压油和其他长期暴露在可降解Ultem的物质中，树脂也能保持性能。

PEKK还具有作为一种半结晶聚合物的优势。“如果你回顾3D打印中的不同技术，历史上FDM一直被认为是使用无定形热塑性塑料，”Sevcik说。在FDM纤维的情况下，非晶材料具有流体玻璃转变，使近各向同性的性质。“这种材料可以熔化，也可以再熔化——而且它的热塑性特性非常一致、规律，”Sevcik说。

同时，“像SLS系统这样的粉末床系统使用了像尼龙这样具有不同微观结构的半晶体材料，”他说。半结晶聚合物具有部分排列的分子链，形成点缀着非晶态区域的结晶部分，使材料比纯非晶态聚合物更强更硬。这种微结构也意味着这种半结晶聚合物不会呈现出清晰的玻璃化转变，这使得它们更难以打印成灯丝。直到最近几年，像PEKK和尼龙等传统上被认为是粉末床材料的半晶体材料才被引入FDM工艺，Sevcik说。

Sevcik说:“这是一种不同的热塑性塑料，它实际上可以让我们在高温应用中做一些非常有趣的事情。”非晶材料受到热挠度温度(HDT)的限制，因此在热挠度温度以上，它们的力学性能如刚度会急剧下降。但由于在半结晶聚合物中形成的微观结构，其力学性能下降的速度要慢得多，使得使用温度在一段时间内超过HDT。

由于它的基底是半晶体PEKK，“Antero材料实际上可以承受高于通常认为的玻璃转变或熔化温度的温度，”Sevcik说。“除了强度和耐化学性，我们还可以利用这种材料获得更高的使用温度。”

“到目前为止，你只能优化硬件和打印参数，所以为了确保高重复性和良好的零件质量，我们还需要优化材料本身。”

最后，Stratasys公司不得不找到一种将静电放电特性注入PEKK树脂的方法。Sevcik说，关键是“确保材料有一定的导电性，以便电荷能够通过结构自然消散，”而不是绝缘太大。碳纳米管与PEKK树脂结合以提供导电性。通过调整碳纳米管填充量，开发人员可以准确地确定所需的ESD性能。

因为Antero 800NA是在考虑Stratasys Fortus系统的情况下开发的，所以使用它进行3D打印并不困难。Sevcik说:“到目前为止，你只能优化硬件和打印参数，因此，为了确保高重复性和良好的零件质量，我们还需要优化材料本身。”“我们能够真正在材料方面工作，以确保我们现有的产品有一个好的解决方案。”

超过需求

对材料和机器的信心对于3d打印生产部件至关重要，尤其是那些面向太空的部件。Antero 800NA与美国宇航局和洛克希德·马丁公司进行了严格的测试计划，包括排气、燃烧、化学暴露和静电耗散测试。Sevcik说:“当我们谈论一个备受瞩目的载人航天计划时，他们需要做很多事情，以确保他们将具有可重复性、性能和部件质量，他们可以高度自信。”

洛克希德·马丁公司已经利用Antero为猎户座建造了一个关键组件，一个由6个3D打印组件组成的环，将锁定在航天器对接舱口的外部。超过100个3d打印零件，其中许多是由新的Antero材料制成的，预计将成为最终工艺的一部分。

Stucker说:“洛克希德·马丁公司并不一定要寻找Antero的所有额外优势和好处，但当他们收到材料时，他们对其性能感到兴奋，现在正积极寻找Orion以外的其他应用。”

对于这种材料的发展，沟通和伙伴关系是关键。Sevcik说:“我们定期与洛克希德·马丁公司、美国国家航空航天局和更广泛的航空航天界进行磋商，所以我们有机会真正了解他们发现现有3D打印能力的不足之处。”“我们能够直接解决这个问题，是因为洛克希德·马丁公司和PADT、Stratasys公司和洛克希德·马丁公司、Stratasys公司和NASA之间的关系和合作。这种联系网络意味着我们能够真正锁定痛点，并帮助他们解决它。”