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嘉峪检测网 2023-08-07 08:39
3D打印可帮助用户快速经济地制造各种应用所需的原型和零件，但选择合适的3D 打印工艺只是其中的一个方面。最终能否制成具有所需机械性能、功能特性或外观的零件，很大程度上取决于所用的材料。
本3D打印材料综合指南介绍了最热门的塑料和金属3D 打印材料、比较了这些材料的特性和应用，并提供了可用于为项目挑选合适材料的准则。
塑料3D打印材料和工艺
可用于3D打印的塑料材料有数十种之多，每种材料都有其独一无二的特性，适用于特定的使用情况。为简化寻找最适合给定零件或产品的材料的过程，我们首先需要了解主要的塑料类型和不同的3D 打印工艺。
塑料材料类型
塑料主要分为两大类型：
热塑性塑料，是最常用的塑料类型。相比于热固性塑料，其最大的不同是能够经受无数次熔化和凝固循环。热塑性塑料在加热后会熔化，从而可制成所需的形状。该过程中没有发生化学键合，因此属于可逆过程，这使得热塑性塑料的回收、熔化和再利用成为可能。人们常常将热塑性塑料比作黄油，是一种可以反复熔化凝固的材料。但每进行一次熔化循环，材料的属性都会稍有变化。
热固性塑料，在固化后将永久保持固态。热固性材料中的聚合物在由热、光或适当辐射引发的固化过程中会发生交联反应。所以该材料在加热时会发生分解而不是熔化，并且冷却后不会再变形。从而无法回收或恢复为基本成分。热固性材料就像蛋糕面糊，一旦烘焙成蛋糕，便无法再融化成面糊。
塑料3D 打印工艺
目前最成熟的塑料3D 打印工艺有以下三种：
熔融沉积成型(FDM) ，3D 打印机会在熔化热塑性长丝后将其挤出，随后打印机喷嘴将热塑性长丝逐层沉积在成型区域。
立体光固化(SLA) ，3D 打印机使用激光将液态热固性树脂固化成硬化塑料，这一过程称为光聚合。
选择性激光烧结(SLS) ，3D 打印机使用高功率激光来熔合小颗粒的热塑性塑料粉末。
FDM 3D打印技术
熔融沉积成型(FDM) ，也称熔丝制造(FFF)，是消费者群体中使用最广泛的3D打印形式，业余级3D打印机的出现加速了该技术的发展进程。
该技术非常适用于基本的概念验证模型，以及快速且低成本的简单部件原型制造。
与其他塑料3D打印工艺相比，消费级FDM的分辨率和精度最低，因此并不适用于打印复杂设计或具有精细特征的部件。通过化学和机械抛光工艺可提高表面处理质量。工业FDM 3D 打印机使用可溶性支撑来缓解其中一些问题，并提供更丰富的工程热塑性塑料或复合材料，但其价格昂贵。
在熔化后的长丝形成每一层时，有时各层之间无法充分粘合，从而出现空隙。这会导致部件出现各向异性，在设计需要承受载荷或抗拉的部件时，必须考虑这一点。
FDM 3D 打印材料有多种颜色供用户选择，还有各种实验型的塑料长丝混合方案，可用于制造表面类似木材或金属的部件。
FDM 3D打印热门材料
最常用的FDM 3D打印材料是ABS、PLA 及其各种混合物。更先进的FDM 打印机还可以使用其他具有更出色耐热性、抗冲击性、耐化学腐蚀性和刚性等特性的专用材料进行打印。
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材料 |
特性 |
应用 |
|---|---|---|
|
ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯） |
坚固耐用 |
功能性原型 |
|
PLA（聚乳酸） |
最简单易用的FDM 打印材料 |
概念模型 |
|
PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯） |
兼容更低的打印温度，可实现快速生产 |
防水应用 |
|
尼龙 |
坚固、耐用、轻便 |
功能性原型 |
|
TPU（热塑性聚氨酯） |
柔韧、可伸缩 |
柔性原型 |
|
PVA（聚乙烯醇） |
可溶性支撑材料 |
支撑材料 |
|
HIPS（高抗冲击级聚苯乙烯） |
ABS 最常用的可溶性支撑材料 |
支撑材料 |
|
复合材料（碳纤维、凯夫拉和玻璃纤维） |
刚硬、坚固或极其强韧 |
功能性原型 |
SLA 3D打印技术
立体光固化是世界上最早应用的3D打印技术，诞生于20 世纪80 年代，至今仍是最受欢迎的技术之一。 同时诞生了如今最常见的3D打印文件格式---STL文件格式。
与其他所有塑料3D打印技术打印的部件相比，SLA 打印部件具有最高的分辨率和精度、最清晰的细节和最高的表面光洁度。对于要求严格公差和光滑表面的高度精细的原型（如模具、模型和功能性部件）来说，树脂3D打印是理想的选择，同时还可以对SLA 打印部件进行高度抛光和/或上漆，为客户提供具有高精细度的现成部件。
使用SLA 3D 打印技术的打印部件通常具有各向同性，由于各层之间形成了化学键，部件在任何方向上的强度都会或多或少保持一致。因此，打印出的部件具有可预测的机械性能，这对于夹具和固定装置、成品部件和功能原型等应用至关重要。
图：SLA 塑料3D 打印的打印材料范围最广
SLA 3D打印热门材料
SLA 3D打印用途极多，其树脂配方具有广泛的光学、机械和热性能，可匹配标准、工程和工业热塑性塑料。
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成型材料 |
特性 |
应用 |
|---|---|---|
|
标准树脂 |
高分辨率 |
概念模型 |
|
透明树脂 |
塑料3d打印的唯一透明材料 |
需要光学透明度的部件 |
|
快速成型树脂 |
3d打印最快的材料之一 |
初始原型 |
|
坚硬树脂和耐用树脂 |
坚固、坚固、功能和动态材料 |
住房和围栏 |
|
硬树脂 |
高填充、坚固、坚硬的材料能抵抗弯曲 |
齿轮、装置和工具 |
|
聚氨酯树脂 |
卓越的长期耐久性 |
高性能汽车、航空和机械部件 |
|
高温度树脂 |
耐高温 |
热空气、气体和流体流动 |
|
弹性树脂 |
橡胶、TPU或硅树脂的弹性 |
消费品原型 |
|
医疗和牙科树脂 |
生产医疗和牙科器具的各种生物相容树脂 |
牙科和医疗器械,包括手术指南、义齿和假肢 |
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珠宝树脂 |
投资铸造和硫化橡胶成型材料 |
试件 |
|
ESD树脂 |
改进电子制造工作流程的安全保障材料 |
电子制造的工具和固定 |
|
陶瓷树脂 |
石头状的饰面 |
工程研究 |
SLS 3D打印技术
选择性激光烧结(SLS) 3D打印因其能够生产坚固的功能性部件，受到不同行业工程师和制造商的信赖。低单件成本、高生产力和成熟的材料使该技术成为从快速原型制造到小批量、过渡式或定制制造等一系列应用的理想选择。
由于未熔合的粉末在打印过程中可以支撑部件，所以不需要专门的支撑结构。这使得SLS 适用于构造内部特征、倒凹、薄壁和凹入特征等复杂几何形状。
与SLA部件一样，SLS部件的各向同性通常优于FDM部件。由于打印材料为颗粒状粉末，SLS部件的表面略粗糙，但几乎没有明显的层纹。
图：SLS 3D 打印材料的功能性应用
SLS 3D打印热门材料
与FDM和SLA相比，SLS的材料选择范围较为受限，但可用的材料具有优异的机械性能，强度可与注射成型部件媲美。选择性激光烧结最常用的材料是尼龙，广受用户欢迎，是一种具有优异机械性能的工程热塑性塑料。尼龙重量轻、强度高、柔韧性好，而且耐冲击、耐化学腐蚀、耐高温、抗紫外线、防水、防尘。
|
材料 |
说明 |
应用 |
|---|---|---|
|
Nylon 12 Powder |
牢固、坚硬、结实且耐用 |
功能性原型制造 |
|
Nylon 11 Powder |
性能类似于Nylon 12 Powder，具有更高的弹性、断裂伸长率和抗冲击性，但刚度更低 |
功能性原型制造 |
|
聚氨酯 |
柔韧有弹性，类似橡胶 |
功能性原型制造 |
|
尼龙复合材料 |
通过添加玻璃、铝或碳纤维而强化的尼龙材料，具备更高的强度和刚度 |
功能性原型制造 |
塑料3D 打印材料和工艺对比
每种3D 打印材料和工艺都有其自身优缺点，适用于不同的应用。下表高度概括了一些关键特征和考量因素。
|
FDM |
SLA |
SLS |
|
|---|---|---|---|
|
优点 |
支持低成本消费机器和材料 |
高价值 |
坚固的功能性部件 |
|
缺点 |
精度低 |
不能长期接触紫外线 |
硬件成本更高 |
|
应用 |
低成本快速原型制造 |
功能性原型制造 |
功能性原型制造 |
|
材料 |
标准的热塑性塑料，如ABS、PLA 及其各种混合材料（适用于消费级打印机）。高性能复合材料（适用于高成本的工业级打印机） |
各种树脂（热固性塑料）。标准树脂、工程树脂（类ABS、类PP、柔性、耐热）、可浇铸树脂、牙科树脂和医用树脂（生物相容性树脂）。 |
工程热塑性塑料。Nylon 11 Powder、Nylon 12 Powder 及其复合材料，聚氨酯等热塑性弹性体 |
金属3D 打印技术
除了塑料3D 打印外，还有多种金属3D 打印工艺。
金属FDM，金属FDM 打印机的工作原理与传统FDM 打印机类似，但通过挤出由聚合物粘合剂粘结制成的金属棒打印部件。得到的“原始”部件随后将在炉中烧结，以去除粘合剂。
选择性激光熔化(SLM) 和直接金属激光烧结(DMLS) ，与SLS 打印机类似，SLM 和DMLS 打印机的工作原理是使用激光将金属粉末颗粒而非聚合物粉末逐层熔合在一起。SLM 和DMLS 3D 打印机能够精确打印出坚固复杂的金属产品，是航空航天、汽车和医疗应用的理想选择。
金属3D 打印热门材料
钛，是一种轻质金属，不仅机械特性优异，而且强度和硬度高、高度耐高温、抗氧化与耐酸。
不锈钢，具有很高的强度、延展性和耐腐蚀性。
铝，是一种轻质、耐用、坚固的材料，并且具有良好的热性能。
工具钢，是一种坚硬、耐刮擦的材料，可用于打印成品工具和其他高强度部件。
镍合金，具有很高的拉伸、蠕变和断裂强度，并且耐热耐腐蚀。
金属3D打印的替代方案
与塑料3D 打印技术相比，金属3D 打印的成本高昂且较为复杂，使大多数企业望而却步。
作为替代方案，SLA 3D打印非常适合铸造工艺流程和生产金属部件；且与传统方式相比，该技术的成本更低、设计自由度更大，且生产周期更短。
另一种替代方案是电镀SLA部件，该工艺可通过电镀为塑料材料添加金属镀层，从而将金属的强度、导电性、耐腐蚀性和耐磨性等优异性能与主要材料（通常为塑料）的特定特性相结合。
图：塑料3D打印非常适合制造用于生产金属部件的可浇注模型。
挑选合适3D 打印材料的准则
面对多种多样的材料和3D 打印选项，如何才能做出正确的选择？
下面的三步准则可用于为您的应用挑选合适的3D 打印材料。
第1 步：确定性能需求
3D打印所使用的塑料具有不同的化学、光学、机械和热特性，这些特性决定了3D 打印部件的性能。随着预期用途逐步接近实际使用情况，性能要求也会相应增加。
|
要求 |
说明 |
建议 |
|---|---|---|
|
低性能 |
对于形状及拟合原型制造、概念建模和研发，打印部件只需满足较低的技术性能要求。 |
FDM：PLA |
|
中等性能 |
用于验证或预生产的打印部件在性能上必须尽可能贴近最终生产部件，以便进行功能测试，但没有严格的使用寿命要求。 |
FDM：ABS |
|
高性能 |
3D 打印成品部件必须能够在特定时间段内承受极严重的磨损，可能是一天、一周或是数年。 |
FDM：复合材料 SLA：工程、牙科、医疗或珠宝树脂 SLS：Nylon 11Powder、Nylon 12 Powder、聚氨酯、尼龙复合材料 |
第2 步：将性能要求转化为材料要求
确定产品的性能要求后，下一步就是将其转化为材料要求，即满足这些性能要求所需的材料属性。这些指标通常位于材料数据表中。
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要求 |
说明 |
建议 |
|---|---|---|
|
拉伸强度 |
拉伸强度是指材料在承受拉力时的抗断裂能力。较高的拉伸强度对于结构性部件、承重部件、机械部件或静态部件非常重要。 |
FDM：PLA |
|
弯曲模量 |
弯曲模量是指材料在载荷下的抗弯曲能力，是区分刚性材料（高模量）和柔性材料（低模量）的良好指标。 |
FDM：PLA（高）、ABS（中） |
|
伸长率 |
伸长率是指材料在受到拉伸时的抗断裂能力，可帮助用户根据拉伸程度比较不同的弹性材料，还能够指示材料是先变形还是突然断裂。 |
FDM：ABS (中)，TPU (高) |
|
冲击强度 |
冲击强度是指材料在吸收冲击和冲击能量的同时不发生断裂的能力。反映材料的韧性和耐用性，帮助用户了解材料掉落在地面或撞到其他物体时容易断裂的程度。 |
FDM：ABS（中）、聚氨酯（高） |
|
热变形温度 |
热变形温度是指样品在指定载荷下发生变形时的温度，用于指示材料是否适用于高温应用。 |
SLA:高温度树脂、硬树脂 |
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硬度（硬度计） |
硬度是指材料抗表面形变的能力，可帮助用户确定软塑料的“柔软度”，如用于某些应用的橡胶和弹性体。 |
FDM：聚氨酯 |
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抗撕裂强度 |
抗撕裂强度是指材料在承受拉力时抗裂缝延伸的能力，对于评估软塑料和柔性材料（如橡胶）的耐久性和抗撕裂性十分重要。 |
FDM：聚氨酯 |
|
蠕变 |
蠕变是指材料在持续应力（拉伸、压缩、剪切或弯曲）下发生永久变形的趋势。蠕变越低，说明硬塑料的使用寿命越长，这一特性对于结构性部件至关重要。 |
FDM：ABS |
|
压缩形变 |
压缩形变是指材料受到压缩后发生永久变形的趋势，对于软塑料和弹性应用非常重要，能够表明在去除载荷后材料是否会恢复原始形状。 |
FDM：聚氨酯 |
第3 步：做出选择
将性能要求转化为材料要求后，就可以轻松找到一种或一系列适合您应用的材料。 如果有多种材料都能满足您的基本要求，则可以扩大所需特性的范围，并根据给定材料和工艺的优缺点权衡利弊，最终做出合适的选择。
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