基于PDM的3D打印材料的分析与研究

战丽娜

摘 要：引领产业发展前沿的3D打印技术吸引了人们的眼球，但3D打印耗材成为制约3D打印技术广泛应用的关键因素。在以新材料、新技术、新装备和新产品为重点的今天，3D打印塑料耗材被明确为重点发展的产品，该文从温度、打印性能、强度、气味、适用场景和不适用场景等方面详细阐述了最常见的两种基于FDM桌面打印机材料——ABS丝材和PLA丝材的优缺点，力争在新一轮科技革命和产业变革中取得新的突破，这为3D打印塑料耗材的进一步研究奠定了强有力的基础。

关键词：PDM桌面打印机 3D打印材料 ABS丝材 PLA丝材

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（b）-0001-02

“中国制造2025”使3D打印技术成为产业发展的前沿，极受大众欢迎和关注。3D打印技术最突出的优点是无需传统加工机床或加工模具，据CAD图形可直接制作形状非常复杂的工件，通常只需切削法30%～50%的工时和20%～35%的成本，极大地缩短了产品的研制周期，提高了生产率，并降低了生产成本，被誉为制造业的一场革命并获得了广泛应用。

但是，3D打印技术至今未实现产业化，也没走进广大老百姓的日常生活，原因很简单，首先是3D打印机本身的机器价格很高，其次是3D打印机打印所需的原材料的价格也很高，而且，精密度越高、速度越快对材料的要求就越高。因此，3D打印迟迟难以市场化。

1 基于PDM的桌面级3D打印技术

经过近20年的努力，实现3D打印技术工艺的关键设备已有5种商品化的定型产品，分别是SLA（光固化/立体光刻）、SLS（选择性激光烧结）、LOM（分层实体制造）、3DP（三维印刷）和PDM（熔融沉积成形）。

国内3D打印机在工艺上采用最多的是制造和材料成本最低的FDM熔融沉积成形技术，该技术以一种丝材作为成形材料的快速成形工艺，丝材通过送丝机构送至喷头，在喷头内受热熔融并挤出，喷头根据层片形状进行扫描填充，挤出的材料固化在底板或者上一层层片上，如此反复直至所有层片加工完毕。

1991年，Stratasys成功研发出基于FDM技术的3D打印设备，该打印机体积小巧，结构紧凑，安装简单，易于操作，便利可靠，可以放在办公桌面上打印立体实物，所以又称桌面打印机。基于FDM的桌面级打印机分为开放式和密闭式两种。

2 打印材料

基于PDM的3D打印技术工艺无需激光器，维护方便，特有空隙结构，节约材料与成形时间，运行成本低，材料利用率高，无污染。目前基于FDM的桌面级3D打印机的耗材以塑料丝材为主，熔点较低，韧性较高，如蜡、ABS、PC、尼龙、PC、PC/ABS、PPSF等，在这些塑料丝材中，以ABS丝材和PLA丝材最为常见。

ABS是目前产量最大，应用最早的FDM桌面打印机的塑料打印丝材。它是Acrylonitrile Butadine Styrene（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）的缩写，具有优良的综合性能，冲击强度极好，有优良的耐磨性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性、电气性能和染色性，易于成型加工和机械加工，制品尺寸稳定，可进行表面印刷、涂层和镀层处理，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域。

PLA是一种新型的生物降解材料。它是Poly Lactic Acid（生物降解塑料聚乳酸）的缩写，以玉米为原料，通过生产最终转化为聚乳酸，属可再生资源。它具有最良好的抗拉强度及延展度，也拥有良好的光泽性和透明度，相容性和可降解性也很好，适用于熔化挤出成型、射出成型、吹膜成型、发泡成型及真空成型等各种普通加工方式生产，打印出来的模型硬度好，色彩鲜艳，富有光泽。

这两种材料在打印时各有优缺点，主要表现在以下几个方面。

（1）温度。

ABS丝材在打印温度、加热板温度、玻璃转化温度和耐热温度上都比PLA丝材高，其具体数值见表1。

（2）打印性能。

虽然，ABS丝材容易打印，但打印时必须要用加热板，且不能在室温太低、通风太大的房间以及室外打印，打印物体的高度也不能太高，因为ABS材料冷却速度快，容易收缩，会导致打印制品在加热板上翘边、局部脱落、悬空，甚至整层剥离，因此，为避免造成问题，最好使用密闭式桌面打印机。

PLA丝材与ABS丝材几乎完全相反，60℃以下不使用加热板，60℃及以上时才使用加热板。它收缩率小，使用加热板时，即使是在开放式打印机和公共场所打印，也不必担心打印制品会从加热板上悬空、歪斜或破损；不使用加热板时，打印大型零件也不会翘边。但是PLA丝材熔化后容易附着和延展，经常会堵塞送丝机构加热部件的喷嘴，尤其是全金属制的加热部件喷嘴，不过这个问题，在安装轴承时滴一滴油就能解决。

（3）强度。

ABS材料的冲击强度相当高，主要是因为FDM熔融沉积成形技术是一层一层打印的，只要以适当的温度打印，就能让层层ABS丝材牢牢黏住。但ABS材料也具有柔软性，即使承受压力也只会弯曲，不会折断，且ABS材料弹性十足，要是掉落在地上，多半会弹起几个来回。虽然用PLA材料打印时，每一层丝材也都会黏得相当牢固，但是它却比ABS稍逊一筹，要是掉落地上或撞到东西时，多半会产生缺口或破损，而不会弹回来，且薄的地方容易在弯曲前折断。

（4）气味。

ABS材料最大的缺点是打印时会产生强烈刺鼻的气味。但PLA气味香甜，打印时气味就像棉花糖一样，气味微弱，但香气宜人。

（5）适用场景。

ABS材料适合做成穿戴用品，如手镯、戒指等，也适合制作可能会掉落、使用于高温环境下、或是以粗鲁的方式使用的物品，特别是薄壁物品，如刀柄、车用手机架、手机保护壳、玩具等。图1所示为ABS丝材打印的薄壁模型。

PLA材料可以广泛地用来制造各种应用产品，如盒子、礼物、模型和原型的零件等，它既能回收，也会腐朽消失，还具有耐水性。图2所示为PLA丝材打印的艺术花瓶。

（6）不适用场景。

ABS材料不适合在通风不良的房间使用，因没有加热板就无法打印，所以也不适宜在在没有挡风和抗温装备的状态下打印大型物体。PLA不适合放进60℃以上的东西里，因温度太高会让材料变形。此外，这种材料质地脆弱，不能用来制造工具的把手或会多次掉落的零件。再者，PLA只要稍微弯曲就会折断，不适合做成薄的东西。可见，ABS和PLA但是ABS是非晶体，PLA是晶体，对比观察，加热到195度，PLA可以顺畅挤出，ABS不可以；加热到220度，ABS可以顺畅挤出，PLA会出现鼓起的气泡，甚至被碳化，碳化会堵住喷嘴，非常危险。

3 结语

总之，ABS丝材和PLA虽然从表面上很难判断，基本上没有差别，但都可作为基于FDM的桌面级3D打印的主要材料，它们都具备熔融温度低，材料粘度低，流动性较好的特点，都方便加热，能顺利从送丝机构中挤出，最终成型制品的质量也能得到保证。此外，这两种材料都方便成型，易于操作，不会产生多余垃圾，都适合在家庭和小型办公环境中使用，适用于家用电器、办公用品和机械行业、动漫行业以及各种工艺新产品的研发。

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