3D打印可幫助用戶快速經(jīng)濟(jì)地制造各種應(yīng)用所需的原型和部件。 但選擇合適的3D打印工藝只是其中的一個(gè)方面。 最終能否制成具有所需機(jī)械性能、功能特性或外觀的部件，很大程度上取決于所用的材料。
本3D打印材料綜合指南介紹了最熱門的非金屬3D打印材料、比較這些材料的特性和應(yīng)用，并提供了可用于為項(xiàng)目挑選合適材料的準(zhǔn)則。
塑料3D打印材料和工藝
可用于3D打印的塑料材料有數(shù)十種之多，每種材料都有其獨(dú)一無二的特性，適用于特定的使用情況。 為簡化尋找最適合給定部件或產(chǎn)品的材料的過程，我們首先需要了解主要的塑料類型和不同的3D打印工藝。
塑料材料類型
塑料主要分為兩大類型：
1、熱塑性塑料是最常用的塑料類型。 相比于熱固性塑料，其最大的不同是能夠經(jīng)受無數(shù)次熔化和凝固循環(huán)。 熱塑性塑料在加熱后會(huì)熔化，從而可制成所需的形狀。 該過程中沒有發(fā)生化學(xué)鍵合，因此屬于可逆過程，這使得熱塑性塑料的回收、熔化和再利用成為可能。 人們常常將熱塑性塑料比作黃油，是一種可以反復(fù)熔化凝固的材料。 但每進(jìn)行一次熔化循環(huán)，材料的屬性都會(huì)稍有變化。
2、熱固性塑料在固化后將永久保持固態(tài)。 熱固性材料中的聚合物在由熱、光或適當(dāng)輻射引發(fā)的固化過程中會(huì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。 所以該材料在加熱時(shí)會(huì)發(fā)生分解而不是熔化，并且冷卻后不會(huì)再變形。 從而無法回收或恢復(fù)為基本成分。 熱固性材料就像蛋糕面糊，一旦烘焙成蛋糕，便無法再融化成面糊。
塑料 3D 打印工藝
目前最成熟的塑料 3D 打印工藝有以下三種：
1、熔融沉積成型 (FDM) 3D 打印機(jī)會(huì)在熔化熱塑性長絲后將其擠出，隨后打印機(jī)噴嘴將熱塑性長絲逐層沉積在成型區(qū)域。
2、立體光固化 (SLA) 3D 打印機(jī)使用激光將液態(tài)熱固性樹脂固化成硬化塑料，這一過程稱為光聚合。
3、選擇性激光燒結(jié) (SLS) 3D 打印機(jī)使用高功率激光來熔合小顆粒的熱塑性塑料粉末。
FDM 3D 打印技術(shù)
熔融沉積成型 (FDM)?也稱熔絲制造 (FFF)，是消費(fèi)者群體中使用最廣泛的 3D 打印形式，F(xiàn)DM在熔化后的長絲形成每一層時(shí)，有時(shí)各層之間無法充分粘合，從而出現(xiàn)空隙。 這會(huì)導(dǎo)致部件出現(xiàn)各向異性，所以在設(shè)計(jì)需要承受載荷或抗拉的部件時(shí)，必須考慮這一點(diǎn)。
消費(fèi)級(jí) FDM 適用于基本的概念驗(yàn)證模型，以及快速且低成本的簡單部件原型制造，例如通常來說需要加工的部件。
與其他塑料 3D 打印工藝相比，消費(fèi)級(jí) FDM 的分辨率和精度最低，因此并不適用于打印復(fù)雜設(shè)計(jì)或具有精細(xì)特征的部件。 通過化學(xué)和機(jī)械拋光等后處理工藝可提高表面處理質(zhì)量。
工業(yè)FDM 3D 打印機(jī)使用可溶性支撐來緩解其中一些問題，并提供更豐富的工程熱塑性塑料或復(fù)合材料。
FDM 3D 打印熱門材料
最常用的 FDM 3D 打印材料是 ABS、PLA 及其各種混合物。 更先進(jìn)的工業(yè)級(jí)FDM 3D打印機(jī)還可以使用其他具有更出色的剛性、耐熱性、抗沖擊性、阻燃、防靜電、耐化學(xué)腐蝕、生物相容性等特性的專用材料進(jìn)行打印。
材料 |
特性 |
應(yīng)用 |
ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯） |
堅(jiān)固耐用 |
功能性原型、最終用途部件 |
PLA（聚乳酸） |
最簡單易用的 FDM 打印材料 |
概念模型 |
PETG（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯） |
兼容更低的打印溫度，可實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn) |
防水應(yīng)用 |
尼龍 |
堅(jiān)固、耐用、輕便 |
功能性原型 耐磨部件 |
TPU（熱塑性聚氨酯） |
柔韌、可伸縮 |
柔性原型 |
PVA（聚乙烯醇） |
可溶性支撐材料 |
支撐材料 |
HIPS（高抗沖擊級(jí)聚苯乙烯） |
ABS 最常用的可溶性支撐材料 |
支撐材料 |
復(fù)合材料（碳纖維、凱夫拉和玻璃纖維） |
剛硬、堅(jiān)固或極其強(qiáng)韌 |
功能性原型 夾具、固定裝置和工具 |
PEI 聚醚酰亞胺(ULTEM9098、ULTEM1010) |
高強(qiáng)度高剛性 航空FST認(rèn)證 |
功能性原型 |
PAEK 聚芳醚酮(PEKK、PEEK) |
高耐熱性，耐化學(xué)腐蝕性 V0級(jí)阻燃 |
功能性原型 航空航天、汽車、軍工最終用途部件 |
SLA 3D 打印技術(shù)
SLA光固化是世界上首款3D打印技術(shù)，誕生于 20 世紀(jì) 80 年代，至今仍是最受專業(yè)人士歡迎的技術(shù)之一。
與其他所有塑料3D打印技術(shù)打印的部件相比，SLA 打印部件具有最高的分辨率和精度、最清晰的細(xì)節(jié)和最高的表面光潔度。 對(duì)于要求嚴(yán)格公差和光滑表面的高度精細(xì)的原型（如模具、模型和功能性部件）來說，樹脂3D打印是理想的選擇。 還可以對(duì) SLA 打印部件進(jìn)行高度拋光和/或上漆，為客戶提供具有高精細(xì)度的現(xiàn)成部件。
使用SLA 3D打印技術(shù)的打印部件通常具有各向同性，由于各層之間形成了化學(xué)鍵，部件在任何方向上的強(qiáng)度都會(huì)或多或少保持一致。 因此，打印出的部件具有可預(yù)測(cè)的機(jī)械性能，這對(duì)于夾具和固定裝置、成品部件和功能原型等應(yīng)用至關(guān)重要。
SLA 3D打印的打印材料范圍非常廣
SLA 3D打印熱門材料
SLA 3D 打印用途極多，其樹脂配方具有廣泛的光學(xué)、機(jī)械和熱性能，可匹配標(biāo)準(zhǔn)、工程和工業(yè)熱塑性塑料。
Formlabs材料 |
特性 |
應(yīng)用 |
標(biāo)準(zhǔn)樹脂 |
高分辨率 |
概念模型 |
透明樹脂 |
唯一真正透明的材料，拋光至接近光學(xué)透明 |
需要光學(xué)透明度 的零件 |
草稿樹脂 |
最快的3D打印材料之一，比標(biāo)準(zhǔn)樹脂快 4 倍，比 FDM 快 10 倍 |
初始原型 |
高韌樹脂Tough Resin 和 剛性樹脂Durable Resin |
堅(jiān)固、堅(jiān)固、實(shí)用和動(dòng)態(tài)的材料 |
外殼和外殼 |
硬質(zhì)樹脂 |
高填充、堅(jiān)固、堅(jiān)硬的材料，可抵抗彎曲 |
夾具、固定裝置和工具 |
聚氨酯樹脂 |
優(yōu)異的長期耐久性 |
高性能汽車、航空航天和機(jī)械部件? 堅(jiān)固耐用的最終用途部件 堅(jiān)固耐用的功能原型 |
高溫樹脂 |
耐高溫，高精度 |
熱空氣、氣體和流體流動(dòng) |
柔性和彈性樹脂 |
橡膠、TPU或硅膠的柔韌性 可承受彎曲、彎曲和壓縮 可承受重復(fù)循環(huán)而不會(huì)撕裂 |
消費(fèi)品原型設(shè)計(jì) |
醫(yī)用和牙科樹脂 |
用于生產(chǎn)醫(yī)療和牙科器械的各種生物相容性樹脂 |
牙科和醫(yī)療器械，包括手術(shù)導(dǎo)板、假牙和假肢 |
珠寶樹脂 |
熔模鑄造和硫化橡膠成型材料 |
試穿件 |
ESD樹脂 |
防靜電，可改善電子制造工作流程 |
電子制造 模具和夾具 |
陶瓷樹脂 |
石材般的飾面 |
工程研究 |
SLS 3D 打印技術(shù)
選擇性激光燒結(jié) (SLS) 3D打印技術(shù)因其能夠生產(chǎn)堅(jiān)固的功能性部件，受到不同行業(yè)工程師和制造商的信賴。 低單件成本、高生產(chǎn)力和成熟的材料使該技術(shù)成為從快速原型制造到小批量、過渡式或定制制造等一系列應(yīng)用的理想選擇。
由于未熔合的粉末在打印過程中可以支撐部件，所以不需要專門的支撐結(jié)構(gòu)。 這使得SLS適用于構(gòu)造內(nèi)部特征、倒凹、薄壁和凹入特征等復(fù)雜幾何形狀。
與SLA部件一樣，SLS部件的各向同性通常優(yōu)于FDM部件。 由于打印材料為顆粒狀粉末，SLS部件的表面略粗糙，但幾乎沒有明顯的層紋。
SLS 3D 打印材料是從工程消費(fèi)品到生產(chǎn)制造和醫(yī)療保健等一系列功能性應(yīng)用的理想選擇
SLS 3D 打印熱門材料
與 FDM 和 SLA 相比，SLS 的材料選擇范圍較為受限，但可用的材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能，強(qiáng)度可與注射成型部件媲美。 選擇性激光燒結(jié)最常用的材料是尼龍，廣受用戶歡迎，是一種具有優(yōu)異機(jī)械性能的工程熱塑性塑料。 尼龍重量輕、強(qiáng)度高、柔韌性好，而且耐沖擊、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、抗紫外線、防水、防塵。
材料 |
特性 |
應(yīng)用 |
尼龍12粉末（Nylon 12 Powder） |
牢固、堅(jiān)硬、結(jié)實(shí)且耐用 |
功能性原型制造 |
尼龍11粉末（Nylon 11 Powder） |
性能類似于 Nylon 12 Powder，具有更高的彈性、斷裂伸長率和抗沖擊性，但剛度更低 |
功能性原型制造 |
聚氨酯（TPU） |
柔韌有彈性，類似橡膠 |
功能性原型制造 |
尼龍復(fù)合材料（Nylon12GF、Nylon11CF） |
通過添加玻璃纖維、鋁或碳纖維而強(qiáng)化的尼龍材料，具備更高的強(qiáng)度和剛度 |
功能性原型制造 |
挑選合適3D打印材料的準(zhǔn)則
面對(duì)多種多樣的材料和3D打印選項(xiàng)，如何才能做出正確的選擇？
下面的三步準(zhǔn)則可用于為您的應(yīng)用挑選合適的 3D 打印材料。
第 1 步：確定性能需求
3D打印所使用的塑料具有不同的化學(xué)、光學(xué)、機(jī)械和熱特性，這些特性決定了3D打印部件的性能。 隨著預(yù)期用途逐步接近實(shí)際使用情況，性能要求也會(huì)相應(yīng)增加。
要求 |
說明 |
建議 |
低性能 |
對(duì)于形狀及擬合原型制造、概念建模和研發(fā)，打印部件只需滿足較低的技術(shù)性能要求。 |
FDM：PLA |
中等性能 |
用于驗(yàn)證或預(yù)生產(chǎn)的打印部件在性能上必須盡可能貼近最終生產(chǎn)部件，以便進(jìn)行功能測(cè)試，但沒有嚴(yán)格的使用壽命要求。 |
FDM：ABS、PC+ABS、尼龍 |
高性能 |
3D 打印成品部件必須能夠在特定時(shí)間段內(nèi)承受極嚴(yán)重的磨損，可能是一天、一周或是數(shù)年。 |
FDM：復(fù)合材料、PEI、PEKK |
第 2 步：將性能要求轉(zhuǎn)化為材料要求
確定產(chǎn)品的性能要求后，下一步就是將其轉(zhuǎn)化為材料要求，即滿足這些性能要求所需的材料屬性。這些指標(biāo)通常位于材料數(shù)據(jù)表中。
性能要求 |
說明 |
建議 |
拉伸強(qiáng)度 |
拉伸強(qiáng)度是指材料在承受拉力時(shí)的抗斷裂能力。較高的拉伸強(qiáng)度對(duì)于結(jié)構(gòu)性部件、承重部件、機(jī)械部件或靜態(tài)部件非常重要。 |
FDM：PLA |
彎曲模量 |
彎曲模量是指材料在載荷下的抗彎曲能力，是區(qū)分剛性材料（高模量）和柔性材料（低模量）的良好指標(biāo)。 |
FDM：PLA（高）、ABS（中） |
斷裂伸長率 |
伸長率是指材料在受到拉伸時(shí)的抗斷裂能力，可幫助用戶根據(jù)拉伸程度比較不同的彈性材料，還能夠指示材料是先變形還是突然斷裂。 |
FDM: ABS（中）, TPU (high) |
沖擊強(qiáng)度 |
沖擊強(qiáng)度是指材料在吸收沖擊和沖擊能量的同時(shí)不發(fā)生斷裂的能力。反映材料的韌性和耐用性，幫助用戶了解材料掉落在地面或撞到其他物體時(shí)容易斷裂的程度。 |
FDM：ABS（中）、聚氨酯（高） |
熱變形溫度 |
熱變形溫度是指樣品在指定載荷下發(fā)生變形時(shí)的溫度，用于指示材料是否適用于高溫應(yīng)用。 |
SLA：High Temp Resin、Rigid Resin |
硬度 |
硬度是指材料抗表面形變的能力，可幫助用戶確定軟塑料的“柔軟度”，如用于某些應(yīng)用的橡膠和彈性體。 |
FDM：聚氨酯 |
抗撕裂溫度 |
抗撕裂強(qiáng)度是指材料在承受拉力時(shí)抗裂縫延伸的能力，對(duì)于評(píng)估軟塑料和柔性材料（如橡膠）的耐久性和抗撕裂性十分重要。 |
FDM：聚氨酯 |
蠕變性 |
蠕變是指材料在持續(xù)應(yīng)力（拉伸、壓縮、剪切或彎曲）下發(fā)生永久變形的趨勢(shì)。蠕變?cè)降?，說明硬塑料的使用壽命越長，這一特性對(duì)于結(jié)構(gòu)性部件至關(guān)重要。 |
FDM：ABS |
壓縮形變 |
壓縮形變是指材料受到壓縮后發(fā)生永久變形的趨勢(shì)，對(duì)于軟塑料和彈性應(yīng)用非常重要，能夠表明在去除載荷后材料是否會(huì)恢復(fù)原始形狀。 |
FDM：聚氨酯 |
第 3 步：做出選擇
將性能要求轉(zhuǎn)化為材料要求后，就可以輕松找到一種或一系列適合您應(yīng)用的材料。
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如果有多種材料都能滿足您的基本要求，則可以擴(kuò)大所需特性的范圍，并根據(jù)給定材料和工藝的優(yōu)缺點(diǎn)權(quán)衡利弊，最終做出合適的選擇。
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