2.3 3D打印材料选择

第1章中提到,3D打印技术是材料科学等多种学科的交叉,制约3D打印机发展的不仅是自身价格和技术的原因,还有打印过程中所需要的材料。所以,解决3D打印材料的问题也是解决3D打印技术发展的一个重要因素。

2.3.1 常见3D打印材料

3D打印机需要打印材料,尤其是FDM机型需要将3D打印材料制作成线状的材料,我们通常称为线材(3D打印耗材)。时下,3D打印材料的种类有很多,常见的有ABS、PLA、尼龙(Nylon)。

1.ABS

ABS是一种常用的热塑型高分子材料,质量轻,机械强度高,经常应用在模具注塑、挤出打印。ABS一个明显的缺点是需要在高温环境下打印(通常挤出头温度要设定在210～240℃),并且由于挤出材料的温度明显高于室温,热胀冷缩现象严重,打印丝极易变形、收缩。ABS的软化温度在100℃左右,所以不适和高温应用场合。另一个显著的缺点是在打印过程时会产生强烈的气味,需要在通风的环境下进行。

2.PLA

PLA是一种新型生物降解材料,可以用植物(如玉米)淀粉制作而成,价格低廉、绿色环保、无毒,由于有良好的生物可降解性,使用后能被自然界中的微生物完全降解,最终生成二氧化碳和水,不污染环境,这对保护环境非常有利。PLA要求打印温度低,通常可以在180～220°C温度之间打印,软化温度在60°C左右。PLA打印材料强度高、弹性小、不易变形,强外力作用下易破损。图2-13为PLA

图2-13 PLA

我们很难单独从外观判断出ABS和PLA,对比观察后,发现ABS呈亚光,而PLA很光亮。如果加热到195℃,PLA可以顺畅挤出,ABS则不可以;加热到220℃,ABS可以顺畅挤出,PLA会出现鼓起的气泡,甚至出现炭化现象而堵住喷嘴。

3.尼龙

尼龙并不像ABS、PLA那样常用,但是在SLS类型3D打印机中使用广泛。尼龙打印件柔软耐磨,并且具有自润滑的特性,适合打印齿轮等部件。尼龙也有很多明显的缺点,相比ABS、PLA更黏稠,经常出现打印成堆的情况,且更易翘曲。打印尼龙时,需要注意尼龙一定要保持干燥,含水分的尼龙很容易堵住打印头。

4.其他材料

从其他成型技术方面考量,3D打印材料还有很多。如：

(1)DLP/SLA成型技术下的树脂。使用光敏树脂打印出来的物品,表面较为光滑、成型质量高,所以许多DLP机型被定位为珠宝级别。光敏树脂一般是液化状态,使用该材料打印物体一般具有高强度、耐高温、防水等特点。然而,光敏树脂若长期不使用容易导致硬化,并且该材料具备一定的毒性,在不使用的状态下需要对其进行封闭保存。光敏树脂价格较贵,由于使用时需要将其倒进器皿内,所以容易导致浪费的现象。图2-14为采用光敏树脂打印的模型

图2-14 采用光敏树脂打印的模型

(2)金属。金属(如铝、铁、钢、银、金、钛等。)一般用于工业级别的机型。就成型技术而言,选择性激光烧结技术(SLS)、直接金属激光烧结技术(DMLS)、电子束熔炼技术(EBM)都有相对应的金属材料。这些成型技术一般需要粒状物料进行成型,材料一般都为粉末。图2-15为采用金属打印的模型。

图2-15 采用金属打印的模型

(3)陶瓷。陶瓷也是选择性激光烧结技术(SLS)所使用的3D打印材料。使用陶瓷可以制作各种颇富艺术气息的陶瓷制品,如瓷杯瓷勺等。值得我们注意的是,同食品3D打印技术一样,陶瓷3D打印技术也需要后期烧制过程。

另外,还有各种性能的材料,如具有磁性的材料、可导电的材料、仿木质材料、弹性材料、类似混凝土的坚硬材料、用于生物3D打印的特殊墨水等,这些材料适用于不同应用领域,展现其各自的特色。当然,在3D打印领域还有各种意想不到的材料(例如泥土),食用材料(例如巧克力),变色材料,沙子等。3D打印的材料随着3D打印技术的发展以及材料的发现与开拓不断增多。编者认为,不远的未来,将会出现多种材料通用的复合3D打印机。

2.3.2 材料的选择

材料选择的注意事项如下：

1)一般情况下,好的材料要求流动性好,但也要适中,流动性太好,打印的时候容易垂丝,造成成型产品缺陷;流动性太差,则打印时不出丝,或者断丝。选择适中的材料,层与层之间吻合度高,打印的层面也更漂亮。

2)每款3D打印机都有其专用的打印材料,要求材料直径不能各不相同(常用材料直径为1.75mm、3mm),而市场上出售的材料直径却大小不一,例如1.75mm规格的材料实际规格有1.66mm、1.70mm等。如果选择比打印机规格小的材料,放在打印机里容易造成打印不出丝、出丝不均匀、断丝的情况。

3)每个生产厂家生产的材料添加剂不同。材料中水分添加比例过大,打印出的模型外壁会出现积屑瘤,层层堆积挤压,影响模型外形。建议3D打印机只使用同一生产商的材料,不要频繁更换打印材料。

4)每款3D打印机尽量只打印一种材料,经常换用ABS和PLA或其他材料,容易造成堵头。

5)常见的质量差的、工艺不过关的材料有下列特征：(除线径)表面弯曲不直、拉伤、拉痕(白痕)、暗痕、气泡、灰尘等。

6)包装方面,现在大部分厂家喜欢用透明PVC胶缠绕膜,缠绕久了或者稍微加温,容易和材料混在一起,粘得很紧,很难分离,严重影响使用。

7)干燥剂：3D打印材料包装里面需加干燥剂防止回潮,有些材料也可以不使用干燥剂,使用真空包装,外面再加个封口袋足以放置很久。开封的材料一般可以在空气中暴露3个月,如果需要长期放置,请注意材料防潮。