3D 打印材料指南：类型、应用和属性

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。为了更简单地寻找最适合给定部件或产品的材料，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。

目前最成熟的塑料 3D 打印工艺有以下三种：

• 熔融沉积成型 (Fused Deposition Modeling, 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 (Stereolithography, 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 (Selective Laser Sintering, 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。

熔融沉积成型 (FDM) 也称熔丝制造 (Fused Filament Fabrication, 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，例如通常来说需要加工的部件。

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。

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。

立体光固化是世界上首款 3D 打印技术，诞生于 20 世纪 80 年代，至今仍是最受专业人士欢迎的技术之一。

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、最清晰的细节和最光滑的表面光洁度。对于要求严格公差和光滑表面的高度精细原型以及功能性部件（如模具、模型和成品部件）来说，树脂 3D 打印是理想的选择。SLA 3D 打印部件也可以在打印后通过抛光、涂漆、涂层等进行后处理，为客户提供具有高质量表面处理效果的现成部件。

使用 SLA 3D 打印技术的打印部件具有各向同性，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、成品部件和功能性原型等应用至关重要。

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。树脂 3D 打印也提供了种类最为丰富的生物相容性材料。

具体材料的可用性在很大程度上取决于制造商和打印机。Formlabs 提供最全面的树脂库，包含 40 多种 SLA 3D 打印材料。

选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印技术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制造辅助工具以及小批量、过渡式或定制制造等一系列应用的理想选择。

未熔合的粉末能够在打印过程中起到支撑部件的作用，因此我们无需使用专门的支撑结构。这使得 SLS 成为构造内部特征、倒钩、薄壁和凹入特征等复杂几何形状的理想选择。

与 SLA 一样，SLS 3D 打印件通常也具有各向同性。由于使用粉末颗粒打印，SLS 部件的表面光洁度略显粗糙，但几乎无可见层纹，而且 SLS 3D 打印件可以轻松进行后处理，以进一步改善机械性能和外观。

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。其他热门 SLS 3D 打印材料还包括聚丙烯 (PP) 和柔性 TPU。

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 (Selective Laser Melting, SLM) 和直接金属激光烧结 (Direct Metal Laser Sintering, DMLS)

与 SLS 打印机类似，SLM 和 DMLS 金属 3D 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。

• 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。

与塑料 3D 打印机相比，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，该工艺可通过电解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。

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 打印材料和塑料 3D 打印机。

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。

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。

如需更多详细信息，请阅读我们的指南，了解各种材料最常见的机械性能和热性能。

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。