樹脂VS粉末：應(yīng)該為3D打印選擇哪種材料？

導(dǎo)讀：根據(jù)不同的3D打印工藝，可以使用不同的材料，但由于材料種類繁多，用戶選擇起來會十分困難。無論是塑料、陶瓷甚至金屬，3D 打印材料組合都可能是用戶踏入3D打印領(lǐng)域的第一道難題。因此，南極熊在這里直接比較了兩種聚合物材料：樹脂和粉末。要注意，當(dāng)今市場上有許多粉末和樹脂材料，例如金屬粉末或者陶瓷樹脂，但本文只關(guān)注聚合物。



有兩種類型的3D打印塑料：熱固性塑料和熱塑性塑料，這兩種材料的主要區(qū)別在于它們在受熱時(shí)的行為不同。熱固性塑料在固化時(shí)會分解，冷卻后不會再形成。另熱塑性塑料是最常用的，加熱后它們可以呈現(xiàn)所需的形狀并經(jīng)歷各種熔化和凝固過程，每次重新加熱時(shí)它們的性能都會略有變化。

樹脂與粉末


△塑料粉末可用于許多領(lǐng)域，例如汽車行業(yè)（圖片來源：EOS）

這兩類材料是增材制造中使用最多的材料。對于塑料粉末，根據(jù) Linker 報(bào)告，到 2029 年，市場預(yù)計(jì)將達(dá)到30億美元；于樹脂，根據(jù) Fortune Business Insights，到2029年，市場預(yù)計(jì)將超過7500億美元。每種材料都與不同的3D打印工藝兼容，例如用于粉末的激光熔融技術(shù)，以及用于樹脂的材料噴射或光聚合激素，下文將詳細(xì)介紹這些內(nèi)容，以及后處理、定價(jià)、材料特性、制造商等等！

塑料粉末和樹脂的特性和性能
一、3D 打印聚合物樹脂

在目前的聚合物市場上，有不同的樹脂，根據(jù)其性能，在不同的領(lǐng)域有不同的應(yīng)用。使用樹脂進(jìn)行 3D 打印可以制造具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的小物體。市場上常用的樹脂包括：

●標(biāo)準(zhǔn)樹脂：這些市場上最便宜和使用最廣泛的樹脂之一，易于加工和研磨，觸感柔軟。然而，它們也很脆弱，很容易破裂，主要用于快速原型制作。

●柔性樹脂：它們通常用于可彎曲或壓縮的打印物體，具有極高的靈活性，可以調(diào)整肖氏硬度。

●水洗樹脂：顧名思義，這些樹脂不需要用異丙醇洗掉，用水清洗即可，它們氣味低，表面干燥且粘性較低。

●工業(yè)樹脂：適用于制造要求堅(jiān)硬表面的零件，主要分為兩種：
       ▷耐溫樹脂：能夠承受高達(dá) 238 oC 的溫度，用于生產(chǎn)需要更多精度細(xì)節(jié)、高精度和高熱穩(wěn)定性的原型。
       ▷燒結(jié)樹脂：這是一種具有高度細(xì)節(jié)和出色表面光潔度的樹脂，其固化過程比其他樹脂更快。主要特點(diǎn)是澆注后工序干凈，不留殘?jiān)��?br />
●牙科樹脂：牙科領(lǐng)域有特殊樹脂，可以根據(jù)需要著色、透明、更靈活或更堅(jiān)硬，用于牙橋、牙冠、保持器或夾板的制造，因此這些樹脂必須是可消毒的。


△樹脂在牙科行業(yè)中發(fā)揮著重要作用（圖片來源：Formlabs）

二、3D打印聚合物粉末
在熱塑性聚合物粉末市場上，塑料種類繁多，其中尼龍最為常見：

●尼龍：又稱聚酰胺，最常用的是PA12和PA11。這兩種類型的尼龍吸收水分很少，并且由于其阻力和摩擦力而被用于例如汽車工業(yè)。
      ▷尼龍 PA12：由石油制成，這種材料能夠承受劇烈的溫度變化，并能抵抗各種化學(xué)品的侵蝕。
      ▷尼龍 PA11：是一種生物基聚合物，含有蓖麻油，耐熱性好，彈性高，比PA12更環(huán)保。

●PEEK：這是一種半結(jié)晶熱塑性塑料，因其機(jī)械性能、耐熱性和耐磨性以及由于其比強(qiáng)度高，能夠在工業(yè)界替代某些金屬。然而，它是一種難以加工的材料，尤其是在溫度方面。因此，這種材料主要用于汽車、航空航天和醫(yī)療行業(yè)。

●復(fù)合材料：復(fù)合材料由基體聚合物和短纖維或長纖維組成。最常用的是碳纖維和玻璃纖維，碳纖維是通過將聚合物與碳纖維混合制成的，從而產(chǎn)生更輕、更強(qiáng)和更硬的材料；玻璃纖維是聚合物與玻璃纖維的混合物，與碳纖維一樣堅(jiān)固，但硬度較低且密度更高。

●聚丙烯：這種熱塑性塑料 ( PP ) 也是半結(jié)晶的，其特點(diǎn)是耐化學(xué)品、良好的電絕緣性和重量輕，但由于必須控制其熱處理，因此難以印刷。

●TPU：熱塑性聚氨酯是一種在加工過程中具有高耐用性和柔韌性的材料。盡管不能承受高溫，但也具有很高的抗沖擊、耐磨和加工能力。

塑料粉末的一個(gè)優(yōu)勢是它們的可回收性。由于用于 SLS 和 MJF 的粉末是熱塑性塑料，因此可以在燒結(jié)過程后將它們篩分并與新粉末混合，以重復(fù)使用多余的材料，從而避免浪費(fèi)。


△圖片來源：巴斯夫

3D 打印數(shù)字工作流程
一、樹脂

對于樹脂 3D 打印，最常用的方法之一是光聚合技術(shù)。這包括 SLA、DLP 和 LCD 工藝，并使用紫外線 (UV) 光固化樹脂，這些過程之間的區(qū)別在于所使用的光源。例如，SLA 使用激光逐點(diǎn)固化樹脂，而DLP使用投影儀在單個(gè)投影中固化整個(gè)樹脂托盤；與樹脂兼容的另一種完全不同的工藝是材料噴射技術(shù)，其中同時(shí)使用多種樹脂，包括使用透明樹脂的可能性。

現(xiàn)在我們需要談一談后處理，打印后，零件表面經(jīng)常會有粘性樹脂殘留物，必須用溶劑清洗才能去除。異丙醇是最常用的溶劑，效果最好。打印人員還需要移除在設(shè)計(jì)過程中添加的任何支撐，當(dāng)然這取決于零件的幾何形狀。這一步最好用鉗子完成。最后，由于并非所有固化反應(yīng)都必須在打印后立即完成，因此由樹脂制成的部件必須經(jīng)過額外的熱處理。這有很多方法，從簡單的光聚合（例如在陽光下）到使用固化設(shè)備都可以。固化時(shí)間因部件而異。最后，在精加工時(shí)，可以通過機(jī)械加工等表面處理平滑表面、加固零件本身，創(chuàng)造美觀的表面。

對于樹脂還有一點(diǎn)要特別說明，就是毒性，它在與皮膚接觸時(shí)經(jīng)常會引起嚴(yán)重的刺激和過敏，尤其是當(dāng)暴露在太陽的紫外線下時(shí)。處理樹脂時(shí)還要小心吸入蒸氣，由于它們的高毒性，可能會導(dǎo)致使用者頭暈，因此佩戴足夠的保護(hù)裝置很重要。


△樹脂的后處理步驟（圖片來源：Formlabs）

二、粉末
對于使用塑料粉末的 3D 打印，SLS、MJF 和 Stratasys 的 SAF 之間存在區(qū)別。在 SLS 技術(shù)中，在構(gòu)建板上沉積一層薄薄​​的粉末后，使用激光選擇性地?zé)�結(jié)粉末并固化選定區(qū)域�；萜盏� Multi Jet Fusion 工藝，在涂上粉末層后，選擇性地將助熔劑沉積在顆粒要融合在一起的區(qū)域。同時(shí)，涂上細(xì)化劑可減少零件邊緣的融合，從而使邊緣干凈光滑。在 SAF（選擇性吸收聚變）的情況下，主要區(qū)別在于該技術(shù)使用高能吸收流體，一旦沉積，就會吸收能量。

與使用樹脂不同，聚合物粉末不需要支撐。事實(shí)上，3D 打印的部分在打印過程中處于所謂的“粉塊”中，因此得到支撐。在后處理過程種，第一步是從粉塊中取出零件。這涉及一個(gè)冷卻過程，根據(jù)零件的不同，該過程最多可能需要 10 個(gè)小時(shí)。然后是去除粉末，這一步可以手動(dòng)完成，也可以使用機(jī)器自動(dòng)完成。操作人員必須穿戴特殊防護(hù)設(shè)備，因?yàn)槲�入粉末會�?dǎo)致健康危害，塑料部件還有許多其他精加工步驟，例如鍍鋅、噴漆或打磨。

塑料粉末和樹脂的價(jià)格區(qū)間
這兩種材料的價(jià)格在很大程度上取決于它們各自的性能和應(yīng)用。500克標(biāo)準(zhǔn)黑色樹脂起價(jià)約為 25 美元，而一升則高達(dá) 400 多美元。塑料粉末的價(jià)格范圍:例如，PA 11 的價(jià)格在每公斤 75 到 320 美元之間。當(dāng)使用塑料粉末打印時(shí)，它可以重復(fù)使用到一定比例，通常為 50%。

市場上有哪些制造商？
市場上有名的材料制造商是負(fù)責(zé)生產(chǎn)原材料的化學(xué)企業(yè)，以及隨后使用它們甚至有時(shí)甚至與化學(xué)集團(tuán)合作開發(fā)它們的 3D 公司。

●就樹脂原材料而言，有名的材料制造商包括 Loctite Henkel 、Covestro Additive Manufacturing、BASF 和 Arkema，BASF 和 Arkema與 3D 打印機(jī)制造商合作并經(jīng)常開發(fā)自己的材料。Zortrax、Formlabs 和 EnvisionTEC 在這些方面做的也很不錯(cuò)。

●對于塑料粉末，比較有名的供應(yīng)商為Arkema、BASF、Evonik，它們與 HP 、 EOS合作。粉末制造商AM Polymers 或 Fabulous 在市場種也有一席之地。目前有更多的專有樹脂，因?yàn)橐恍�樹脂機(jī)器仍然是封閉的，即它們只與制造商自己開發(fā)的材料兼容。

樹脂和粉末的應(yīng)用
對于樹脂，應(yīng)用場合一般是需要有一定精度要求的地方。例如，微小的零件，用于娛樂或珠寶等行業(yè)的更多彩色組件。樹脂在醫(yī)療領(lǐng)域也很受歡迎，尤其是在牙科領(lǐng)域，特別是用于制作手術(shù)導(dǎo)板、牙冠或植入物。

就塑料粉末的可能應(yīng)用而言，它們可以用于衛(wèi)生領(lǐng)域。尼龍具有生物相容性，因此非常適合制造假肢，因?yàn)樗�可以與皮膚直接接觸。制造業(yè)也經(jīng)常使用這類材料，因?yàn)樗鼈冇糜诠δ苄栽�型、中小型系列。例如，它可以用來制造齒輪甚至鉸鏈。