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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2023-08-07 08:39
3D打印可幫助用戶快速經(jīng)濟(jì)地制造各種應(yīng)用所需的原型和零件，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、功能特性或外觀的零件，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(mén)的塑料和金屬3D 打印材料、比較了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(wú)二的特性，適用于特定的使用情況。為簡(jiǎn)化尋找最適合給定零件或產(chǎn)品的材料的過(guò)程，我們首先需要了解主要的塑料類(lèi)型和不同的3D 打印工藝。
塑料材料類(lèi)型
塑料主要分為兩大類(lèi)型：
熱塑性塑料，是最常用的塑料類(lèi)型。相比于熱固性塑料，其最大的不同是能夠經(jīng)受無(wú)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(guò)程中沒(méi)有發(fā)生化學(xué)鍵合，因此屬于可逆過(guò)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。
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(guò)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(wú)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(wú)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：
熔融沉積成型(FDM) ，3D 打印機(jī)會(huì)在熔化熱塑性長(zhǎng)絲后將其擠出，隨后打印機(jī)噴嘴將熱塑性長(zhǎng)絲逐層沉積在成型區(qū)域。
立體光固化(SLA) ，3D 打印機(jī)使用激光將液態(tài)熱固性樹(shù)脂固化成硬化塑料，這一過(guò)程稱(chēng)為光聚合。
選擇性激光燒結(jié)(SLS) ，3D 打印機(jī)使用高功率激光來(lái)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(chēng)熔絲制造(FFF)，是消費(fèi)者群體中使用最廣泛的3D打印形式，業(yè)余級(jí)3D打印機(jī)的出現(xiàn)加速了該技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。
該技術(shù)非常適用于基本的概念驗(yàn)證模型，以及快速且低成本的簡(jiǎn)單部件原型制造。
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(guò)化學(xué)和機(jī)械拋光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(lái)緩解其中一些問(wèn)題，并提供更豐富的工程熱塑性塑料或復(fù)合材料，但其價(jià)格昂貴。
在熔化后的長(zhǎng)絲形成每一層時(shí)，有時(shí)各層之間無(wú)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，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)。
FDM 3D 打印材料有多種顏色供用戶選擇，還有各種實(shí)驗(yàn)型的塑料長(zhǎng)絲混合方案，可用于制造表面類(lèi)似木材或金屬的部件。
FDM 3D打印熱門(mén)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FDM 打印機(jī)還可以使用其他具有更出色耐熱性、抗沖擊性、耐化學(xué)腐蝕性和剛性等特性的專(zhuān)用材料進(jìn)行打印。
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材料 |
特性 |
應(yīng)用 |
|---|---|---|
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ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯） |
堅(jiān)固耐用 |
功能性原型 |
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PLA（聚乳酸） |
最簡(jiǎn)單易用的FDM 打印材料 |
概念模型 |
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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 |
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尼龍 |
堅(jiān)固、耐用、輕便 |
功能性原型 |
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TPU（熱塑性聚氨酯） |
柔韌、可伸縮 |
柔性原型 |
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PVA（聚乙烯醇） |
可溶性支撐材料 |
支撐材料 |
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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 |
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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 |
SLA 3D打印技術(shù)
立體光固化是世界上最早應(yīng)用的3D打印技術(shù)，誕生于20 世紀(jì)80 年代，至今仍是最受歡迎的技術(shù)之一。 同時(shí)誕生了如今最常見(jiàn)的3D打印文件格式---STL文件格式。
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(lái)說(shuō)，樹(shù)脂3D打印是理想的選擇，同時(shí)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。
圖：SLA 塑料3D 打印的打印材料范圍最廣
SLA 3D打印熱門(mén)材料
SLA 3D打印用途極多，其樹(shù)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。
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成型材料 |
特性 |
應(yīng)用 |
|---|---|---|
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標(biāo)準(zhǔn)樹(shù)脂 |
高分辨率 |
概念模型 |
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透明樹(shù)脂 |
塑料3d打印的唯一透明材料 |
需要光學(xué)透明度的部件 |
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快速成型樹(shù)脂 |
3d打印最快的材料之一 |
初始原型 |
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堅(jiān)硬樹(shù)脂和耐用樹(shù)脂 |
堅(jiān)固、堅(jiān)固、功能和動(dòng)態(tài)材料 |
住房和圍欄 |
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硬樹(shù)脂 |
高填充、堅(jiān)固、堅(jiān)硬的材料能抵抗彎曲 |
齒輪、裝置和工具 |
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聚氨酯樹(shù)脂 |
卓越的長(zhǎng)期耐久性 |
高性能汽車(chē)、航空和機(jī)械部件 |
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高溫度樹(shù)脂 |
耐高溫 |
熱空氣、氣體和流體流動(dòng) |
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彈性樹(shù)脂 |
橡膠、TPU或硅樹(shù)脂的彈性 |
消費(fèi)品原型 |
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醫(yī)療和牙科樹(shù)脂 |
生產(chǎn)醫(yī)療和牙科器具的各種生物相容樹(shù)脂 |
牙科和醫(yī)療器械,包括手術(shù)指南、義齒和假肢 |
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珠寶樹(shù)脂 |
投資鑄造和硫化橡膠成型材料 |
試件 |
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ESD樹(shù)脂 |
改進(jìn)電子制造工作流程的安全保障材料 |
電子制造的工具和固定 |
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陶瓷樹(shù)脂 |
石頭狀的飾面 |
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(lài)。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(guò)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(guò)程中可以支撐部件，所以不需要專(zhuān)門(mén)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(méi)有明顯的層紋。
圖：SLS 3D 打印材料的功能性應(yīng)用
SLS 3D打印熱門(mén)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。
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材料 |
說(shuō)明 |
應(yīng)用 |
|---|---|---|
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Nylon 12 Powder |
牢固、堅(jiān)硬、結(jié)實(shí)且耐用 |
功能性原型制造 |
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Nylon 11 Powder |
性能類(lèi)似于Nylon 12 Powder，具有更高的彈性、斷裂伸長(zhǎng)率和抗沖擊性，但剛度更低 |
功能性原型制造 |
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聚氨酯 |
柔韌有彈性，類(lèi)似橡膠 |
功能性原型制造 |
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尼龍復(fù)合材料 |
通過(guò)添加玻璃、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 |
塑料3D 打印材料和工藝對(duì)比
每種3D 打印材料和工藝都有其自身優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用。下表高度概括了一些關(guān)鍵特征和考量因素。
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FDM |
SLA |
SLS |
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|---|---|---|---|
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優(yōu)點(diǎn) |
支持低成本消費(fèi)機(jī)器和材料 |
高價(jià)值 |
堅(jiān)固的功能性部件 |
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缺點(diǎn) |
精度低 |
不能長(zhǎng)期接觸紫外線 |
硬件成本更高 |
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應(yīng)用 |
低成本快速原型制造 |
功能性原型制造 |
功能性原型制造 |
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材料 |
標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性塑料，如ABS、PLA 及其各種混合材料（適用于消費(fèi)級(jí)打印機(jī)）。高性能復(fù)合材料（適用于高成本的工業(yè)級(jí)打印機(jī)） |
各種樹(shù)脂（熱固性塑料）。標(biāo)準(zhǔn)樹(shù)脂、工程樹(shù)脂（類(lèi)ABS、類(lèi)PP、柔性、耐熱）、可澆鑄樹(shù)脂、牙科樹(shù)脂和醫(yī)用樹(shù)脂（生物相容性樹(shù)脂）。 |
工程熱塑性塑料。Nylon 11 Powder、Nylon 12 Powder 及其復(fù)合材料，聚氨酯等熱塑性彈性體 |
金屬3D 打印技術(shù)
除了塑料3D 打印外，還有多種金屬3D 打印工藝。
金屬FDM，金屬FDM 打印機(jī)的工作原理與傳統(tǒng)FDM 打印機(jī)類(lèi)似，但通過(guò)擠出由聚合物粘合劑粘結(jié)制成的金屬棒打印部件。得到的“原始”部件隨后將在爐中燒結(jié)，以去除粘合劑。
選擇性激光熔化(SLM) 和直接金屬激光燒結(jié)(DMLS) ，與SLS 打印機(jī)類(lèi)似，SLM 和DMLS 打印機(jī)的工作原理是使用激光將金屬粉末顆粒而非聚合物粉末逐層熔合在一起。SLM 和DMLS 3D 打印機(jī)能夠精確打印出堅(jiān)固復(fù)雜的金屬產(chǎn)品，是航空航天、汽車(chē)和醫(yī)療應(yīng)用的理想選擇。
金屬3D 打印熱門(mén)材料
鈦，是一種輕質(zhì)金屬，不僅機(jī)械特性?xún)?yōu)異，而且強(qiáng)度和硬度高、高度耐高溫、抗氧化與耐酸。
不銹鋼，具有很高的強(qiáng)度、延展性和耐腐蝕性。
鋁，是一種輕質(zhì)、耐用、堅(jiān)固的材料，并且具有良好的熱性能。
工具鋼，是一種堅(jiān)硬、耐刮擦的材料，可用于打印成品工具和其他高強(qiáng)度部件。
鎳合金，具有很高的拉伸、蠕變和斷裂強(qiáng)度，并且耐熱耐腐蝕。
金屬3D打印的替代方案
與塑料3D 打印技術(shù)相比，金屬3D 打印的成本高昂且較為復(fù)雜，使大多數(shù)企業(yè)望而卻步。
作為替代方案，SLA 3D打印非常適合鑄造工藝流程和生產(chǎn)金屬部件；且與傳統(tǒng)方式相比，該技術(shù)的成本更低、設(shè)計(jì)自由度更大，且生產(chǎn)周期更短。
另一種替代方案是電鍍SLA部件，該工藝可通過(guò)電鍍?yōu)樗芰喜牧咸砑咏饘馘儗?，從而將金屬的?qiáng)度、導(dǎo)電性、耐腐蝕性和耐磨性等優(yōu)異性能與主要材料（通常為塑料）的特定特性相結(jié)合。
圖：塑料3D打印非常適合制造用于生產(chǎn)金屬部件的可澆注模型。
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。
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要求 |
說(shuō)明 |
建議 |
|---|---|---|
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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 |
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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(méi)有嚴(yán)格的使用壽命要求。 |
FDM：ABS |
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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 SLA：工程、牙科、醫(yī)療或珠寶樹(shù)脂 SLS：Nylon 11Powder、Nylon 12 Powder、聚氨酯、尼龍復(fù)合材料 |
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。
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要求 |
說(shuō)明 |
建議 |
|---|---|---|
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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 |
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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） |
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伸長(zhǎng)率 |
伸長(zhǎng)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 (高) |
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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） |
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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:高溫度樹(shù)脂、硬樹(shù)脂 |
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硬度（硬度計(jì)） |
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 |
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抗撕裂強(qiáng)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 |
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蠕變 |
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(shuō)明硬塑料的使用壽命越長(zhǎng)，這一特性對(duì)于結(jié)構(gòu)性部件至關(guān)重要。 |
FDM：ABS |
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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。 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。
來(lái)源：Internet
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