基于PDM的3D打印材料的分析與研究

戰(zhàn)麗娜

摘 要：引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展前沿的3D打印技術(shù)吸引了人們的眼球，但3D打印耗材成為制約3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。在以新材料、新技術(shù)、新裝備和新產(chǎn)品為重點的今天，3D打印塑料耗材被明確為重點發(fā)展的產(chǎn)品，該文從溫度、打印性能、強度、氣味、適用場景和不適用場景等方面詳細(xì)闡述了最常見的兩種基于FDM桌面打印機材料——ABS絲材和PLA絲材的優(yōu)缺點，力爭在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中取得新的突破，這為3D打印塑料耗材的進一步研究奠定了強有力的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：PDM桌面打印機 3D打印材料 ABS絲材 PLA絲材

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（b）-0001-02

“中國制造2025”使3D打印技術(shù)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前沿，極受大眾歡迎和關(guān)注。3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是無需傳統(tǒng)加工機床或加工模具，據(jù)CAD圖形可直接制作形狀非常復(fù)雜的工件，通常只需切削法30%～50%的工時和20%～35%的成本，極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期，提高了生產(chǎn)率，并降低了生產(chǎn)成本，被譽為制造業(yè)的一場革命并獲得了廣泛應(yīng)用。

但是，3D打印技術(shù)至今未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也沒走進廣大老百姓的日常生活，原因很簡單，首先是3D打印機本身的機器價格很高，其次是3D打印機打印所需的原材料的價格也很高，而且，精密度越高、速度越快對材料的要求就越高。因此，3D打印遲遲難以市場化。

1 基于PDM的桌面級3D打印技術(shù)

經(jīng)過近20年的努力，實現(xiàn)3D打印技術(shù)工藝的關(guān)鍵設(shè)備已有5種商品化的定型產(chǎn)品，分別是SLA（光固化/立體光刻）、SLS（選擇性激光燒結(jié)）、LOM（分層實體制造）、3DP（三維印刷）和PDM（熔融沉積成形）。

國內(nèi)3D打印機在工藝上采用最多的是制造和材料成本最低的FDM熔融沉積成形技術(shù)，該技術(shù)以一種絲材作為成形材料的快速成形工藝，絲材通過送絲機構(gòu)送至噴頭，在噴頭內(nèi)受熱熔融并擠出，噴頭根據(jù)層片形狀進行掃描填充，擠出的材料固化在底板或者上一層層片上，如此反復(fù)直至所有層片加工完畢。

1991年，Stratasys成功研發(fā)出基于FDM技術(shù)的3D打印設(shè)備，該打印機體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單，易于操作，便利可靠，可以放在辦公桌面上打印立體實物，所以又稱桌面打印機。基于FDM的桌面級打印機分為開放式和密閉式兩種。

2 打印材料

基于PDM的3D打印技術(shù)工藝無需激光器，維護方便，特有空隙結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料與成形時間，運行成本低，材料利用率高，無污染。目前基于FDM的桌面級3D打印機的耗材以塑料絲材為主，熔點較低，韌性較高，如蠟、ABS、PC、尼龍、PC、PC/ABS、PPSF等，在這些塑料絲材中，以ABS絲材和PLA絲材最為常見。

ABS是目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最早的FDM桌面打印機的塑料打印絲材。它是Acrylonitrile Butadine Styrene（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）的縮寫，具有優(yōu)良的綜合性能，沖擊強度極好，有優(yōu)良的耐磨性、耐熱性、耐低溫性、耐化學(xué)藥品性、電氣性能和染色性，易于成型加工和機械加工，制品尺寸穩(wěn)定，可進行表面印刷、涂層和鍍層處理，廣泛應(yīng)用于機械、汽車、電子電器、儀器儀表、紡織和建筑等工業(yè)領(lǐng)域。

PLA是一種新型的生物降解材料。它是Poly Lactic Acid（生物降解塑料聚乳酸）的縮寫，以玉米為原料，通過生產(chǎn)最終轉(zhuǎn)化為聚乳酸，屬可再生資源。它具有最良好的抗拉強度及延展度，也擁有良好的光澤性和透明度，相容性和可降解性也很好，適用于熔化擠出成型、射出成型、吹膜成型、發(fā)泡成型及真空成型等各種普通加工方式生產(chǎn)，打印出來的模型硬度好，色彩鮮艷，富有光澤。

這兩種材料在打印時各有優(yōu)缺點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）溫度。

ABS絲材在打印溫度、加熱板溫度、玻璃轉(zhuǎn)化溫度和耐熱溫度上都比PLA絲材高，其具體數(shù)值見表1。

（2）打印性能。

雖然，ABS絲材容易打印，但打印時必須要用加熱板，且不能在室溫太低、通風(fēng)太大的房間以及室外打印，打印物體的高度也不能太高，因為ABS材料冷卻速度快，容易收縮，會導(dǎo)致打印制品在加熱板上翹邊、局部脫落、懸空，甚至整層剝離，因此，為避免造成問題，最好使用密閉式桌面打印機。

PLA絲材與ABS絲材幾乎完全相反，60℃以下不使用加熱板，60℃及以上時才使用加熱板。它收縮率小，使用加熱板時，即使是在開放式打印機和公共場所打印，也不必?fù)?dān)心打印制品會從加熱板上懸空、歪斜或破損；不使用加熱板時，打印大型零件也不會翹邊。但是PLA絲材熔化后容易附著和延展，經(jīng)常會堵塞送絲機構(gòu)加熱部件的噴嘴，尤其是全金屬制的加熱部件噴嘴，不過這個問題，在安裝軸承時滴一滴油就能解決。

（3）強度。

ABS材料的沖擊強度相當(dāng)高，主要是因為FDM熔融沉積成形技術(shù)是一層一層打印的，只要以適當(dāng)?shù)臏囟却蛴。湍茏寣訉覣BS絲材牢牢黏住。但ABS材料也具有柔軟性，即使承受壓力也只會彎曲，不會折斷，且ABS材料彈性十足，要是掉落在地上，多半會彈起幾個來回。雖然用PLA材料打印時，每一層絲材也都會黏得相當(dāng)牢固，但是它卻比ABS稍遜一籌，要是掉落地上或撞到東西時，多半會產(chǎn)生缺口或破損，而不會彈回來，且薄的地方容易在彎曲前折斷。

（4）氣味。

ABS材料最大的缺點是打印時會產(chǎn)生強烈刺鼻的氣味。但PLA氣味香甜，打印時氣味就像棉花糖一樣，氣味微弱，但香氣宜人。

（5）適用場景。

ABS材料適合做成穿戴用品，如手鐲、戒指等，也適合制作可能會掉落、使用于高溫環(huán)境下、或是以粗魯?shù)姆绞绞褂玫奈锲?，特別是薄壁物品，如刀柄、車用手機架、手機保護殼、玩具等。圖1所示為ABS絲材打印的薄壁模型。

PLA材料可以廣泛地用來制造各種應(yīng)用產(chǎn)品，如盒子、禮物、模型和原型的零件等，它既能回收，也會腐朽消失，還具有耐水性。圖2所示為PLA絲材打印的藝術(shù)花瓶。

（6）不適用場景。

ABS材料不適合在通風(fēng)不良的房間使用，因沒有加熱板就無法打印，所以也不適宜在在沒有擋風(fēng)和抗溫裝備的狀態(tài)下打印大型物體。PLA不適合放進60℃以上的東西里，因溫度太高會讓材料變形。此外，這種材料質(zhì)地脆弱，不能用來制造工具的把手或會多次掉落的零件。再者，PLA只要稍微彎曲就會折斷，不適合做成薄的東西。可見，ABS和PLA但是ABS是非晶體，PLA是晶體，對比觀察，加熱到195度，PLA可以順暢擠出，ABS不可以；加熱到220度，ABS可以順暢擠出，PLA會出現(xiàn)鼓起的氣泡，甚至被碳化，碳化會堵住噴嘴，非常危險。

3 結(jié)語

總之，ABS絲材和PLA雖然從表面上很難判斷，基本上沒有差別，但都可作為基于FDM的桌面級3D打印的主要材料，它們都具備熔融溫度低，材料粘度低，流動性較好的特點，都方便加熱，能順利從送絲機構(gòu)中擠出，最終成型制品的質(zhì)量也能得到保證。此外，這兩種材料都方便成型，易于操作，不會產(chǎn)生多余垃圾，都適合在家庭和小型辦公環(huán)境中使用，適用于家用電器、辦公用品和機械行業(yè)、動漫行業(yè)以及各種工藝新產(chǎn)品的研發(fā)。

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