尼龙 3D 打印指南：比较工艺、材料和应用

尼龙，又称聚酰胺纤维或 PA，自 1938 年首次商业化以来，一直是制造商、工程师和设计人员广泛应用的热门材料。得益于其强度、耐用性、韧性和弹性，以及耐热性、耐化学腐蚀性、耐磨性和耐冲击性，尼龙在各行各业的采用率都很高。

尼龙也是最受欢迎的 3D 打印材料之一，可用于制造坚固的功能部件，包括功能性原型和最终用途部件，适用于电子、汽车、航空航天、医疗设备、消费品等领域。

以尼龙为材料进行 3D 打印的增材制造工艺包括：选择性激光烧结 (SLS) 、多射流熔融 (MJF) 和熔融沉积成型 (FDM)。挑选适用的树脂材料之前，需要对尼龙 3D 打印工艺和材料有充分的了解。幸运的是，我们编写了这份综合性指南。

1938 年，在牙刷的制造过程中实现了尼龙的首次商业应用，但在 1939 年的世界博览会上，尼龙作为一种新型女式长袜的主要材料首次引起轰动，这种长袜很快就被称为“尼龙袜”。尼龙作为纺织品纤维所具有的弹性、耐久性和耐磨性等吸引人的特质，可满足航空航天和汽车制造商、消费品公司以及其他需要生产长效塑料部件的用户需求。

如今，从住宅和商业通风系统、捕鱼设备到电池外壳，尼龙广泛应用于各种领域。随着尼龙从“第二次世界大战的致胜材料”发展成为日常用品，富有创新精神的化学家和制造商仍在持续扩大尼龙的应用范围。

从家具、运动器材到汽车和飞机，在垫圈、螺栓、轴承和齿轮等常见工具都出现了尼龙的身影。食品包装经常含有尼龙。由于尼龙的耐高温性和抗静电性，制造商通常选择将其用于放置电子设备、固定发动机部件和支持高端工程应用。例如，汽车的进气歧管通常由尼龙制成，大多数电动工具的外壳也是如此。

尼龙约占全球所有合成纤维织物的 12%，它仍然是许多纺织品、地毯、绳索和网的主要材料。

尼龙是聚酰胺纤维 (PA) 的商品名称，聚酰胺纤维是由二酸单体和二胺单体之间形成酰胺链而制成的一类工程热塑性塑料。其晶体结构使聚酰胺纤维具有很高的各向同性和耐化学腐蚀性。虽然不同类型的尼龙表现出不同的特性，但尼龙一般以其强度、高耐化学腐蚀性、耐用性、尺寸稳定性和耐热性而著称。

由于尼龙性能稳定，便于加工，因此制造商利用许多不同的技术来生产尼龙产品。可以使用多种制造工艺制造尼龙部件，如注射成型、挤出，以及现在的 3D 打印。

理所当然的是，随着增材制造的普及及其实用性的增强，尼龙 3D 打印成为创新的重点。3D 打印尼龙为功能性原型、最终用途制造和自定义部件提供了价值。许多世界领先的 3D 打印机制造商都开发了相应制造系统，使客户能够使用尼龙进行 3D 打印。

尼龙 3D 打印中最常用的是四种特定类型的聚酰胺纤维：PA-6、PA-66、PA-11 和 PA-12。尼龙 3D 打印材料可以用玻璃纤维和碳纤维等其他材料进行增强，以提高其在特定方向上的强度或刚度等性能，或赋予其阻燃和静电耗散等特定性能。

许多尼龙部件，尤其是用玻璃增强的部件，可以替代汽车、航空航天或消费品中的金属部件。此外，由于具有电气绝缘性能，尼龙经常用于制造电气管材和外壳，如断路器等。某些尼龙具有较高的弹性和弯曲强度，如由蓖麻油经生物工程制成的尼龙 11。

良好的耐磨性使尼龙在轴承、卡扣和带扣等应用中极具价值。同样，与其他热塑性塑料相比，尼龙在长时间使用后仍能很好地保持其性能特点。得益于这些材料优势，行业中出现了对尼龙 3D 打印技术的强劲需求，要求其在不牺牲材料性能的前提下提高制造效率。

SLS 3D 打印机使用高功率激光来熔合小颗粒的聚合物粉末。未熔合的粉末在打印过程中支撑部件，所以不再需要使用专门的支撑结构。这使得 SLS 适用于构造内部特征、倒凹、薄壁和凹入特征等复杂几何形状。使用 SLS 打印技术制造的部件具有优良的机械特性，强度类似于注射成型部件。

尼龙是 SLS 3D 打印的主要材料。对于大多数希望利用增材制造来发挥尼龙优势的企业和个人来说，SLS 3D 打印机可能会在经济性和功能性之间取得最佳平衡。

SLS 打印完成后，用户清空整个成型室，并从未使用的粉末中提取打印部件，这些粉末可以回收利用，最大限度地减少废物。额外采取 SLS 后处理技术可以改变 SLS 3D 打印尼龙部件的表面质量、颜色或导电性。

过去，SLS 3D 打印技术价格过于昂贵，标价在 20 万美元左右，这使得基于粉末的尼龙 3D 打印工艺仅限于服务机构和大型企业。最近，最新的工业级立式 SLS 3D 打印机，如 Formlabs Fuse 系列，起售价低于 3 万美元，便于专业人士实现利用 SLS 技术打印尼龙的优势。这大大降低了准入门槛，使更多企业能够在其产品和工作流程中使用 3D 打印尼龙，其中包括原本难以起步的中小型企业。

由 SLS 3D 打印系统制作的尼龙部件接近于各向同性，这意味着它们在沿所有轴向的应力作用下都显示出相似的材料性能。重要的是，选择尼龙进行 3D 打印的许多原因，特别是材料的强度和耐用性，只有在部件具有高度各向同性的情况下才能实现。FDM 打印机不能生产各向同性部件，通常难以达到可接受的精细程度，因此 SLS 或 MJF 成为许多用户的唯一选择。然而，MJF 和许多传统的 SLS 方法都过于昂贵。

此外，许多非常适合使用尼龙材料的部件，如卡扣式外壳和电气外壳，都要求具有中等至高水平的精细程度，而这只有在 SLS 或 MJF 3D 打印机生产的部件中才能实现。

尼龙 12 和尼龙 11 是 SLS 3D 打印最常用的单组分粉末。尼龙 12 是与几乎所有 SLS 3D 打印机兼容的常用材料，而尼龙 11 则需要配备稍复杂的基础设施才能打印。

这两种变体还可以用玻璃或碳纤维等其他材料进行增强，以获得具有特定性能（如强化强度和刚度）的复合材料，但这些较小众材料的可用性在很大程度上取决于打印机的类型。

以下材料均与 Fuse 1+ 30W 兼容：

由于市面上有多种 SLS 打印机，因此没有一套单一的指南可用于尼龙 SLS 打印。根据一般经验，尺寸较大、价格较高的 SLS 打印系统可能有以下要求：物理空间应严格按照规范安排、专门配备电力基础设施，以及内部 3D 打印机技术人员应完成 3D 打印机制造商提供的大量培训课程。

另一方面，Formlabs Fuse 系列等即插即印选项可以在普通车间环境中使用，只需经过少量培训即可操作，而且占地面积相对较小。为了提供紧凑而有序的生态圈和端到端的粉末处理，Fuse 系列打印机还配备了 Fuse Sift，这是一台集部件取出、粉末回收、存储和混合功能于一身的独立式设备，以及全自动清洁和抛光解决方案 Fuse Blast。

Formlabs 的 Fuse 系列 SLS 3D 打印机的工作流程也支持在对打印机和配套后处理装置进行彻底清洁后，相对轻松地在尼龙粉末之间进行切换。在 Fuse 系列中切换材料只需不到三小时的时间，因此尝试新的尼龙粉末并非不切实际，也不一定要支付高昂的费用。借助 Fuse 系列和 Fuse Sift，用户无需购买全新的生态圈，就能试用任何新材料。

多射流熔融 3D 打印是一种粉末床熔融增材制造工艺，可使用与 SLS 略有不同的工艺来生产与之类似的部件。在部件成型过程中，打印机可将液态粘合剂从许多小喷嘴喷射到粉末床上，使粉末处于半固态，然后通过加热完成这一过程。此后，红外热源会对半固态的十字形状进行固化，随后再沉积另一层粉末，并重复上述过程。MJF 于 2016 年由惠普公司申请专利，至今，惠普仍是 MJF 3D 打印机的唯一供应商。

MJF 打印机的打印速度相对较快，不过成型室的冷却时间通常是打印完成时间的两倍。与 SLS 技术相比，MJF 工艺的效率较低，产生的废物也较多，因为在打印时，部件无法在成型室中紧密地排布在一起。

虽然 SLS 3D 打印机的价格越发低廉，但 MJF 3D 打印机的价格却从大约 35 万美元到 60 多万美元不等。因此，它们大多用于服务机构和财富 500 强企业的大型内部增材制造实验室。

有关这两种技术的深入比较，阅读我们的 MJF 与 SLS 比较指南。

MJF 和 SLS 具有许多共同优势。这两个工艺均无需生成支撑结构，为用户省去了复杂而昂贵的后处理步骤。与 SLS 一样，使用 MJF 打印机打印尼龙部件也能获得表面光洁度出色的各向同性部件。

与 SLS 3D 打印机一样，MJF 3D 打印机使用尼龙 12 和尼龙 11 粉末生产部件。惠普还提供玻璃纤维增强尼龙 12，以提高坚硬度；不过，目前还没有碳纤维增强尼龙可用于 MJF 3D 打印。

在内部运行 MJF 技术要求指派一名熟练的 3D 打印技术人员。安装和维护打印机也都需要专业技术人员。惠普 MJF 打印机要求有专门的功率基础设施，并需要大型专用空间来容纳庞大的机器。与 SLS 打印机一样，MJF 打印机解决方案也额外包括后处理硬件，用于粉末管理和部件回收。

熔融沉积成型 (FDM) 也称熔丝制造 (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。FDM 3D 打印机通过熔化并挤出热塑性丝材使部件成型，而打印机喷嘴会将热塑性丝材逐层沉积在成型区域。

FDM 3D 打印机一般使用 PLA 和 ABS 丝材，但更适合专业人士使用的 FDM 机器通常也可以打印尼龙。然而，因为 FDM 打印机很难生产出充分利用尼龙所有优点的部件，FDM 技术优缺点总体上仍然存在。

由于 FDM 打印件沿 Z 轴并非各向同性，因此使用 FDM 3D 打印尼龙时，无法实现尼龙的许多强度相关优势。在 FDM 机器上打印尼龙也有翘曲倾向，就像 ABS 一样。

此外，由于尼龙吸湿性很强，尼龙丝材可能会在长时间打印过程中吸水，导致后期打印层质量低于前期。建议使用干燥箱等配件，以防止丝材在打印过程中吸水。

与使用其他材料进行 FDM 打印类似，了解使用尼龙进行 3D 打印的最佳设置通常需要进行大量测试。因此，根据不同类型的尼龙 3D 打印材料开发可重复的流程并生成一致的结果是绝非易事。后处理部件的性能（包括强度和精度）可能会有所不同，因此不建议使用 FDM 进行大范围的功能性原型制造或尼龙的最终用途生产。

对于快速打印简单的简单尼龙部件来说，FDM 打印是一个不错的选择，但它并不适合复杂部件和较高产量。由于使用了支撑结构，该技术生成的废物也远多于 SLS 或 MJF 打印。

尼龙丝材中最常见的是更易于打印的尼龙 6 和尼龙 66，但也有尼龙 12 丝材可供选择。大多数适合 FDM 打印的尼龙都有玻璃纤维和碳纤维增强版本，可以提高硬度、强度和其他关键机械性能。

在目前 FDM 市场的诸多选择中，许多经济实惠的型号都具备在到货后立即进行尼龙 3D 打印的功能。不过，即使使用这些型号，用户也必须确保其硬件设置和打印流程支持尼龙 3D 打印。

使用 FDM 进行尼龙 3D 打印的硬件和设置建议：

• 全金属热端
• 能将丝材加热到 250°C 或以上
• 涂有胶水的加热打印床（玻璃床最理想）
• 封闭式机箱，避免翘曲
• 丝材干燥系统，可实现最佳效果

由于尼龙的吸水率较高，丝材线轴必须放在塑料密闭容器中，在进行尼龙打印前使用干燥剂可以提高可靠性和打印质量。