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(huì)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(chǎng)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?cè)谑軣釙r(shí)的行為不同,。熱固性塑料在固化時(shí)會(huì)分解，冷卻后不會(huì)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(huì)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(duì)于塑料粉末,，根據(jù) Linker 報(bào)告,，到 2029 年，市場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)上常用的樹脂包括：

●標(biāo)準(zhǔn)樹脂：這些市場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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(shì)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(duì)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(huì)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(jiǎn)單的光聚合（例如在陽(yáng)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(duì)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(huì)引起嚴(yán)重的刺激和過敏,，尤其是當(dāng)暴露在太陽(yáng)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(huì)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(duì)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(huì)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�?huì)導(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(chǎng)上有哪些制造商,？
市場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(duì)于樹脂,，應(yīng)用場(chǎng)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���,、中小型系列,。例如，它可以用來制造齒輪甚至鉸鏈,。