聚氨酯是類似橡膠的材料，全世界約有75％的用途是用于硬質(zhì)和軟質(zhì)泡沫。應(yīng)用包括室內(nèi)裝潢，泡沫密封件和墊片，彈性車輪和輪胎，汽車懸架襯套等。

盡管有熱塑性聚氨酯，但大多數(shù)聚氨酯是熱固性的，這意味著它們?cè)诩訜釙r(shí)不會(huì)熔化。在3D打印中，熱固性材料是桶型光聚合技術(shù)的領(lǐng)域，該技術(shù)使用紫外線來(lái)硬化光敏聚合物樹(shù)脂。

聚氨酯是通過(guò)異氰酸酯（由稱為胺的氨的衍生物制成的一類化學(xué)物質(zhì)）與多元醇（具有多組氧與氫鍵合的有機(jī)材料）之間的反應(yīng)生成的。多元醇有助于聚合物的柔韌性，交聯(lián)的量決定了它的韌性或剛性。

具有低交聯(lián)度的長(zhǎng)鏈會(huì)產(chǎn)生可拉伸的材料，具有大量交聯(lián)鍵的短鏈會(huì)導(dǎo)致其變硬。具有中間交聯(lián)的長(zhǎng)鏈產(chǎn)生了可用于泡沫材料的聚合物。

聚氨酯合成，其中氨基甲酸酯基團(tuán)NH-（C = O）-O-連接分子單元。

在聚氨酯的生產(chǎn)中，異氰酸酯與水反應(yīng)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(duì)于所得的物理性能是必需的。

Carbon的材料高級(jí)副總裁Jason Rolland向3DPrint.com解釋說(shuō)：“ 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(fā)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?！?/p>

Carbon的數(shù)字光合成（DLS）技術(shù)是公司特定形式的數(shù)字光投影（DLP），其中將紫外線投射到一桶光敏聚合物樹(shù)脂上，并通過(guò)使用透氧窗對(duì)材料進(jìn)行連續(xù)固化迅速地。此過(guò)程可實(shí)現(xiàn)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。

盡管3D打印中使用的大多數(shù)光敏聚合物會(huì)產(chǎn)生較弱，較脆的零件，更適合用于原型制作，但DLS制成的組件由于在打印過(guò)程完成后便會(huì)進(jìn)行加熱，因此具有工程級(jí)的機(jī)械特性。

Carbon解釋了它是如何工作的：

Rolland說(shuō)：“ Carbon開(kāi)發(fā)的雙固化材料，包括RPU 130，是光固化和熱固化化學(xué)物質(zhì)的混合物。” 當(dāng)樹(shù)脂反復(fù)暴露在圖案化的紫外線下時(shí)，光固化基團(tuán)在印刷過(guò)程中會(huì)活化并聚合。這使我們可以在打印過(guò)程中精確定義零件的形狀。在后烘烤過(guò)程中觸發(fā)熱活性基團(tuán)，形成一個(gè)單獨(dú)的聚合物網(wǎng)絡(luò)。材料的最終性能由紫外線和熱聚合物網(wǎng)絡(luò)決定?！?/p>

由于光敏聚合物的上述問(wèn)題，從歷史上看，它們不適合通過(guò)3D打印進(jìn)行最終零件生產(chǎn)。但是，像Carbon這樣的公司所取得的進(jìn)步正在改變這一狀況。Carbon告訴3DPrint.com，光敏聚合物的性質(zhì)導(dǎo)致試圖在沖擊強(qiáng)度和熱特性之間取得平衡，而這對(duì)熱塑性塑料的阻礙較小。

“紫外線固化材料的主要挑戰(zhàn)是在沖擊強(qiáng)度和熱性能之間進(jìn)行權(quán)衡。通常，您需要選擇一個(gè)。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(dú)特之處在于它具有很高的沖擊強(qiáng)度（在Gardner沖擊試驗(yàn)中大于30 J）和很高的熱變形溫度（120 oC），” Rolland解釋說(shuō)。

“通過(guò)RPU 130實(shí)現(xiàn)的性能組合使其在增材制造領(lǐng)域具有高度差異性；它是各種應(yīng)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(shù)證明了可顯著節(jié)省成本的小批量汽車零件生產(chǎn) 。RPU 130潛在的工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品應(yīng)用的其他示例包括用于車輛，太陽(yáng)鏡，工具外殼和設(shè)備外殼的風(fēng)道和制動(dòng)鉗蓋?！?/p>

正如我們?cè)谄渌胤剿懻摰哪菢?，迫切需要將我們的塑料生產(chǎn)從化石燃料來(lái)源轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕鷣?lái)源。正在進(jìn)行大量的研究工作，以尋求開(kāi)發(fā)用于3D打印的基于植物的光敏聚合物，其中許多具有廣闊的前景。

裝配技術(shù)制造商ARaymond打印的3D管道固定器緊固件，用于汽車生產(chǎn)。圖片由Carbon提供。

在將這些材料擴(kuò)大到商業(yè)規(guī)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(zhì)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(chǎn)的玉米原料。這完全符合Carbon在開(kāi)發(fā)新材料時(shí)對(duì)可持續(xù)性原則的承諾。新型聚合物材料創(chuàng)新可以與環(huán)保原則相結(jié)合。RPU 130顯示出增強(qiáng)的材料性能和改善的材料可持續(xù)性不一定是相反的目標(biāo)。

植物來(lái)源的原料通常比石油來(lái)源的原料具有更低的碳足跡，而Susterra丙二醇（經(jīng)USDA認(rèn)證的100％基于生物的產(chǎn)品）可減少48％的溫室氣體排放，并減少來(lái)自搖籃的不可再生能源46％。與傳統(tǒng)的基于石油的替代品相比”。