随着商业航天与小型卫星技术的普及,对可在地面轻松制造且满足航天环境要求的材料需求显著增加。Prusament PC Space Grade黑色耗材应运而生,作为一种面向航天及粒子物理领域的聚碳酸酯(PC)基填充材料,其显著特点在于既兼顾了低逸散性(outgassing)与静电耗散(ESD)性能,又能在常见的台式3D打印机上实现可靠成型,从而将原本需要昂贵工业设备才能加工的材料级性能变得更加可及。本文将逐项剖析该耗材的技术参数、测试结果、打印建议与典型应用,帮助设计人员在选择材料时做出更明智的决策。Prusament PC Space Grade由Prusa与捷克航天公司TRL Space联合开发。TRL Space以开展从任务概念到发射与数据分析的卫星交钥匙解决方案著称,参与欧洲航天局等项目。两家单位的合作确保材料在研发阶段就围绕航天实际需求设计,使其在出厂前就经过了针对航天级别关注点的验证。
首先需要关注的核心性能是逸散性。航天环境的真空会导致材料释放残留单体或降解产物,这些挥发性有机化合物会干扰精密光学器件、污染传感器表面,甚至影响电子元件的可靠性。Prusament PC Space Grade在ESA关联实验室的试验中表现优异。总质量损失TML为0.25%,远低于ESA常用的1%上限;收集的挥发冷凝物CVCM测得为0.00%,达到理想零级别;回收质量损失RML为0.12%,也显著优于1.0%的门槛。这些数据表明,通过配方优化与制造可控性,聚碳酸酯体系也能达到通常只由高端工程热塑性如PEEK/PEKK/PEI实现的低逸散标准,为成本敏感的航天结构与电子部件提供新的选项。静电耗散性能同样是材料在航天与电子外壳设计中必须考虑的重要指标。
传统ABS、PLA等FDM材料多为绝缘体,无法在带电或接触敏感电子元件时安全释放电荷。Prusament PC Space Grade通过碳基添加剂实现了可控的耗散状态。直接从3D打印样件测得的体积电阻率为2.2×10^4 Ω·m,表面电阻率为6×10^7 Ω/sq,位于耗散材料的范围内,意味着零件无需额外导电涂层或复杂处理就能提供可靠的静电放电路径,对需要与电子器件接触或包覆的元件(如电子壳体、线缆夹持件、端子支架等)尤为适用。力学与热学性能方面,项目起初通过有限元模拟为单单元CubeSat框架设定了最低门槛:拉伸强度至少70 MPa、拉伸模量2 GPa、层间黏结10 MPa以及热变形温度100 °C。Prusament PC Space Grade在实测中分别达到75 MPa的拉伸强度、3.7 GPa的拉伸模量、18 MPa的层间黏结与137.6 °C(0.45 MPa) 的热变形温度,均明显优于设计门槛。这样的性能使其不仅可用于承载较低应力的结构件,还能满足很多电子部件在较高温度环境中的形变控制需求。
制造与打印可操作性是Prusament PC Space Grade的另一大亮点。与需在高温、高性能工业设备上加工的PEEK等材料不同,这款材料可在多数Prusa台式3D打印机上直接打印,典型打印参数建议喷嘴温度290 °C、热床温度120 °C,推荐使用硬化0.4 mm以上喷嘴与Satin、TXT或PP类打印表面。材料抗翘曲性良好,Prusa测试表明在200×200 mm量级的模型上也能保证尺寸稳定性。建议在打印前对耗材进行干燥处理,推荐条件为60 °C下6小时,同时打印过程中使用干箱以维持低含水率,这样可以获得最佳的力学性能与最低的逸散行为。值得一提的是,产品的可追溯性也是其商业价值之一。Prusament以其可追溯的制造数据著称,所有线材卷均带有直径一致性、重量、长度、椭圆度与标准偏差等生产信息,配合Prusa Connect提供的打印过程遥测,使得从原料到成品的制造链更易于记录与复现,这对航天器件中常需的质量控制与文档化尤为重要。
对于设计师与工程师来说,Prusament PC Space Grade的价格与可得性也具有吸引力。与传统的空间级高温聚合物相比,它的单卷(850 g)售价定位在229美元或249欧元(含税),虽然较消费级材料昂贵,但与PEEK/PEKK/PEI等材料所需的专用设备与更高材料成本相比,使用这种可在台式机上成型的PC基材料显著降低了总体制造门槛与成本。典型应用场景包括但不限于CubeSat结构件的非关键承力组件、电子设备的外壳与支架、线缆夹、端子导向件以及需兼顾静电耗散与低逸散性的实验配件。TRL Space已在其小型卫星部署器中试用该材料的某些部件,证明在真实工程环境中具有良好的适配性。需要注意的几点实践建议会影响最终零件的可靠性。首先,虽然材料本身在打印状态下已表现出良好的ESD性能,但后处理如打磨或表面涂覆可能改变整体电阻率。
粗糙化表面通常会降低表面电阻,从而增强表面耗散,但某些涂层或粘合剂可能重新将表面电阻上升或引入新的挥发源。其次,热处理(如退火)对体积电阻率和力学性能也可能产生影响,实验表明退火有时会在微观结构上促使导电填料分布更均匀,从而稍微降低体积电阻,但这需要在实际方案中进行验证。再者,尽管材料的逸散性已经通过ESA关联实验室验证,但在用于严格的光学或超高真空环境之前,仍建议在最终装配条件下进行针对性老化与逸散验证。Prusament在推广该材料时也强调了与产业与学术界合作的重要性。随着更多实际任务与实验采用这种材料收集反馈,配方与工艺将持续优化,目标之一是获得更高的材料分类资质,从而允许其在更多结构关键的航天零件中使用。Prusament方面甚至已经为该材料提出了专利申请,表明其在制造工艺或配方上具有一定的创新点。
对于创客与小批量制造者,Prusament PC Space Grade降低了进入航天级实验的门槛,使得在台式设备上就能验证设计、制作原型并进行地面测试成为可能。对于中小企业与研究机构,这不仅节省了成本,也缩短了从概念到验证的周期。然而,设计师在使用该材料时仍需权衡风险与要求。关键承载结构或长期暴露于极端环境的部件仍建议使用经过完整航天认证并经常在任务中验证的超级工程塑料或金属。Prusament PC Space Grade更适合用作次要结构、功能件与需要兼顾ESD与低逸散性的电学接口件。总之,Prusament PC Space Grade是一次将航天级性能与台式3D打印可行性结合的有意义尝试。
它在低逸散性、静电耗散、力学与热学指标上均表现出色,且支持普通台式设备成型,为小型卫星开发者、电子工程师与高端创客群体打开了新的材料选择。未来随着更多测试数据、任务经验的积累以及材料认证的推进,这类可打印的航天级材料有望在更广泛的航天任务与高可靠性电子应用中发挥作用。对于有兴趣合作或在项目中使用该材料的团队,可向Prusa提供的联系渠道或polymers@prusa3d.cz咨询具体的样品、测试报告与合作细节。欢迎从设计初期就考虑逸散性与ESD需求,以便在选材阶段获得最佳的工程与成本平衡。 。
