高分子材料种类与特点

高分子材料是以高分子化合物为基础的材料，种类多、产量大，是最常见的3D打印材料。高分子材料种类繁多、性质各异、可塑性强，能制成粉末状、丝状、液态，可实现3D打印材料的多样性和专一性。高分子材料熔融温度低、触变性能好，能很好地满足FDM打印工艺的需要。高分子材料质量轻，强度高，为打印镂空产品、汽车零部件、运动器材等提供了便利。此外高分子材料价格便宜，在3D打印材料中，性价比远高于金属材料。

常用于3D打印的高分子材料有ABS塑料、尼龙、橡胶、聚乳酸、聚碳酸酯等，它们可作为主体材料直接打印成品。此外，环氧树脂可以作为黏结剂，配合其他材料用于3D打印。

1.ABS塑料

ABS塑料起步较早，相关研究比较成熟，是3D打印最常用的热塑性塑料。ABS塑料的外观为不透明象牙色粒料，如图4-1-1所示，无毒、无味、吸水率低，其制品可着成各种颜色，并具有90%的高光泽度。

图4-1-1　ABS塑料颗粒（图片来源：百度百科）

ABS塑料具有优良的力学性能。其冲击强度极好，可以在极低的温度下使用，其耐磨性优良，尺寸稳定性好，又具有耐油性。ABS耐热性好，没有明显的熔点，在-40～85 ℃的范围内可长期使用。ABS的电绝缘性较好，几乎不受温度、湿度和频率的影响。ABS加工性能好，且配比和性能可以很好地改变，更加适合灵活多变的打印用途。因此ABS已经成为3D打印的首选材料。

ABS塑料广泛用于制造电话机、移动电话、复印机、传真机、玩具及厨房用品等的壳体，也用于制造方向盘、仪表盘、风扇叶片、挡泥板、手柄及扶手等汽车配件，还可用于制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管材、管件、蓄电池槽及电动工具壳等机械配件。

为进一步提高ABS塑料的性能，并使ABS塑料更符合3D打印的实际应用要求，人们对现有ABS塑料进行改性。

ABS塑料是最早用于熔融沉积成型（FDM）技术的材料，目前也是FDM打印工艺领域最常用的耗材。这种材料不但具有PC树脂的优良耐热性、尺寸稳定性和耐冲击性能，又具有ABS树脂优良的加工流动性。在3D打印中，它被应用在加工薄壁及复杂形状的工件时，能保持优异的性能。正常变形温度超过90 ℃，可进行机械加工（钻孔、攻螺纹）、喷漆及电镀。ABS工程塑料的颜色种类很多，如白色、黑色、深灰、红色、蓝色等，在汽车、家电、电子消费品领域有广泛的应用，如图4-1-2所示的国内首台3D打印概念车，外壳用塑料打印而成。目前ABS塑料是3D打印材料中最稳定的一种。

图4-1-2　国内首台3D打印概念车（图片来源：人民网）

ABS塑料的打印温度为210～240 ℃，这种材料容易打印，一般打印机的挤出机都能滑顺地挤出材料，不必担心堵塞或凝固。但材料具有遇冷收缩的特性，会从加热板上局部脱落、悬空，造成打印模型翘边。为保证打印质量，要使用四面封闭的打印机进行打印，打印房间的温度不能太低。

ABS塑料最大的缺点是打印时会产生强烈的气味，建议在通风良好的环境下进行打印。

2.尼龙材料

尼龙材料品种众多，如图4-1-3和图4-1-4所示是一些常见的尼龙制品。尼龙材料有很好的耐磨性、韧性和抗冲击强度，耐油性好。其不足是在强酸和强碱的条件下不稳定，吸湿性强。

尼龙材料在拉伸强度和柔韧性方面比较好，是成功商品化的3D打印材料，制成的3D打印产品机械强度良好，且具有较好的弹性和韧性，甚至可以用来打印衣物。尼龙树脂具有更好的黏结性，且容易预制成颗粒均匀的球形微细粉体，可以作为SLS工艺中金属和陶瓷粉末的黏结剂，也可以直接用于该技术打印。尼龙材料的不足之处，相比ABS和PC材料，PA打印件的表面质地相对更粗糙。表4-1-1列举了几种常见的3D打印PA材料，每一种材料都有自己的优势和不足，例如PA66纤维具有很高的耐磨损性、很好的拉伸强度且十分坚韧，熔点达到265 ℃。

图4-1-3　尼龙布

图4-1-4　尼龙网(www.xing528.com)

表4-1-1　几种常见的3D打印的尼龙材料性能对比

英国的欧洲航空防务与航天集团展示了一辆3D打印的自行车“Airbike”，如图4-1-5所示。Airbike用尼龙材料制造，打印技术为SLS（选择性激光烧结），其坚固程度与钢铝材料相当，但质量却比钢铝材料轻65%。

由于尼龙材料柔韧性能和机械性能良好，密度较低，因而有利于3D打印在时尚界的发挥。早在2011年，国外Shapeways公司就用尼龙材料打印了泳衣和高跟鞋，如图4-1-6所示为耐用性尼龙粉末打印的高跟鞋。

图4-1-5　尼龙材料自行车“Airbike”

图4-1-6　尼龙材料打印的高跟鞋

3.橡胶类

橡胶是三大高分子材料（塑料、橡胶、纤维）之一，在工业四大基础原料（天然橡胶、煤炭、钢铁、石油）中，是唯一的可再生资源。天然橡胶从一些植物树汁中提取，合成橡胶由人工合成。目前，橡胶类材料在3D打印中应用非常广泛，主要用来打印消费类电子产品、医疗设备、卫生用品及汽车内饰、轮胎等。

4.聚乳酸（PLA）

聚乳酸是一种可生物降解的热塑性脂肪族聚酯，简称PLA。它来源于玉米、甘蔗、小麦、甜菜等淀粉或糖分等可再生物质，或者麦秆、甘蔗渣等木质纤维素的农业废弃物。在FDM打印工艺中，PLA材料打印出来的样品成型好，不翘边，外观光滑，并且打印无气味，比较环保。如图4-1-7所示为用 PLA材料打印的花瓶。但PLA材料的缺点是耐热和耐水解能力较差，PLA产品在60 ℃左右开始变形，由于是高温熔融，所以会挥发颗粒，虽然颗粒本身无毒，但长期呼吸还是对人体肺部有一定伤害，所以其3D打印空间最好是通风的。

图4-1-7　PLA材料打印的花瓶

PLA 和ABS塑料两种材料，从外观上不容易鉴别，但PLA材料较脆，用手很容易折断，在折断的截面上有类似油脂一样的反光，用火烧一小段，气味柔和。而ABS塑料线材具有韧性，需要用剪刀才能剪断，截面密实，用火烧一小段，会产生刺鼻的黑烟。PLA 材料和ABS塑料的价格相差不是太大，从环保角度考虑，建议使用PLA材料打印。两种材料从后期整理角度上说，ABS塑料打印完成的模型很容易进行打磨及抛光处理，而PLA的3D模型如果打磨不当，则会更加粗糙。

5.聚碳酸酯材料

聚碳酸酯材料（PC）是真正的热塑性材料，具备工程塑料的所有特性：高强度、耐高温、抗冲击、抗弯曲，可以作为最终零部件使用，被广泛用于眼镜片、饮料瓶等各种产品。用PC材料打印的3D产品，常用于交通工具及家电行业，可以直接装配。图4-1-8为PC粒料，图4-1-9为PC制品。PC材料的强度比ABS材料高出60%左右，具备超强的工程材料属性，可以用来制造高强度的3D打印产品，广泛应用于电子消费品、家电等领域。但PC材料也有一些不足，比如价格偏高，颜色单一。为了获得高性价比的3D打印材料，可以采用PC与其他树脂共混的方式。

图4-1-8　PC粒料

图4-1-9　PC制品 .