3D 打印材料指南:类型、应用和属性

3D 打印可帮助用户快速经济地制造各种应用所需的原型和部件。但选择合适的 3D 打印工艺只是其中的一个方面。最终能否制成具有所需机械性能、功能特性或外观的部件,很大程度上取决于所用的材料。

本 3D 打印材料综合指南介绍了最热门的塑料和金属 3D 打印材料、比较了这些材料的特性和应用,并提供了可用于为项目挑选合适材料的准则。

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您是否需要帮助以确定应该选择哪种 3D 打印材料?新的交互式材料向导可以帮助您根据应用以及您最在意的性能,在我们不断扩大的树脂资源库中选择合适的材料。

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塑料 3D 打印材料和工艺

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。为简化寻找最适合给定部件或产品的材料的过程,我们首先需要了解主要的塑料类型和不同的 3D 打印工艺。

塑料材料类型

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。

塑料 3D 打印工艺

目前最成熟的塑料 3D 打印工艺有以下三种:

FDM vs SLA vs SLS video guide
视频指南

如何选择 3D 打印技术

难以找到满足您需求的最佳 3D 打印技术?在本视频指南中,我们从主要的购买考虑因素方面对比了 FDM、SLA 和 SLS 技术的差异。

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FDM 3D 打印技术

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。 

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。

FDM 3D 打印材料有多种颜色供用户选择。还有各种实验型的塑料长丝混合方案,可用于制造表面类似木材或金属的部件。

FDM 3D 打印热门材料

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。

材料特性应用
ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)坚固耐用
耐热性和抗冲击性
需要加热打印床
需要通风
功能性原型
PLA(聚乳酸)最简单易用的 FDM 打印材料
刚硬、坚固,但易碎
耐热性和耐化学腐蚀性较差
可生物降解
无味
概念模型
外观性原型
PETG(聚对苯二甲酸乙二醇酯)兼容更低的打印温度,可实现快速生产
防潮性和耐化学腐蚀性
高透明度
食品安全级材料
防水应用
卡扣组件
尼龙坚固、耐用、轻便
坚固且具有一定柔韧性
耐热性和抗冲击性
FDM 打印过程较为复杂
功能性原型
耐磨部件
TPU(热塑性聚氨酯)柔韧、可伸缩
抗冲击性
减振性能出色
柔性原型
PVA(聚乙烯醇)可溶性支撑材料
可溶于水
支撑材料
HIPS(高抗冲击级聚苯乙烯)ABS 最常用的可溶性支撑材料
可溶于柠檬烯试剂
支撑材料
复合材料(碳纤维、凯夫拉和玻璃纤维)刚硬、坚固或极其强韧
仅兼容部分昂贵的工业 FDM 3D 打印机
功能性原型
夹具、固定装置和工具

SLA 3D 打印技术

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、最清晰的细节和最高的表面光洁度。对于要求严格公差和光滑表面的高度精细的原型(如模具、模型和功能性部件)来说,树脂 3D 打印是理想的选择。还可以对 SLA 打印部件进行高度抛光和/或上漆,为客户提供具有高精细度的现成部件。

使用 SLA 3D 打印技术的打印部件通常具有各向同性,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或多或少保持一致。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、成品部件和功能原型等应用至关重要。

SLA 塑料 3D 打印的打印材料范围最广。

SLA 3D 打印热门材料

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。

Formlabs 材料特性应用
标准树脂High resolution
Smooth, matte surface finish
Concept models
Looks-like prototypes
Clear ResinThe only truly clear material for plastic 3D printing
Polishes to near optical transparency
Parts requiring optical transparency
Millifluidics
Draft ResinOne of the fastest materials for 3D printing
4x faster than standard resins, up to 10x faster than FDM
Initial Prototypes
Rapid Iterations
Tough Resin 和 Durable ResinStrong, robust, functional, and dynamic materials
Can handle compression, stretching, bending, and impacts without breaking
Various materials with properties similar to ABS or PE
Housings and enclosures
Jigs and fixtures
Connectors
Wear-and-tear prototypes
Rigid ResinHighly filled, strong and stiff materials that resist bending
Thermally and chemically resistant
Dimensionally stable under load
Jigs, fixtures, and tooling
Turbines and fan blades
Fluid and airflow components
Electrical casings and automotive housings
Polyurethane ResinsExcellent long-term durability
UV, temperature, and humidity stable
Flame retardancy, sterilizability, and chemical and abrasion resistance
High performance automotive, aerospace, and machinery components
Robust and rugged end-use parts
Tough, longer-lasting functional prototypes
High Temp ResinHigh temperature resistance
High precision
Hot air, gas, and fluid flow
Heat resistant mounts, housings, and fixtures
Molds and inserts
Flexible and Elastic ResinsFlexibility of rubber, TPU, or silicone
Can withstand bending, flexing, and compression
Holds up to repeated cycles without tearing
Consumer goods prototyping
Compliant features for robotics
Medical devices and anatomical models
Special effects props and models
Medical and dental resinsA wide range of biocompatible resins for producing medical and dental appliancesDental and medical appliances, including surgical guides, dentures, and prosthetics
Jewelry resinsMaterials for investment casting and vulcanized rubber molding
Easy to cast, with intricate details and strong shape retention
Try-on pieces
Masters for reusable molds
Custom jewelry
ESD ResinESD-safe material to improve electronics manufacturing workflowsTooling & fixturing for electronics manufacturing
Anti-static prototypes and end-use components
Custom trays for component handling and storage
Ceramic ResinStone-like finish
Can be fired to create a fully ceramic piece
Engineering research
Art and design pieces
Form 3L Sample Part
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SLS 3D 打印技术

选择性激光烧结 (SLS) 3D 打印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小批量、过渡式或定制制造等一系列应用的理想选择。

由于未熔合的粉末在打印过程中可以支撑部件,所以不需要专门的支撑结构。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。 

与 SLA 部件一样,SLS 部件的各向同性通常优于 FDM 部件。由于打印材料为颗粒状粉末,SLS 部件的表面略粗糙,但几乎没有明显的层纹。

SLS 3D 打印材料是从工程消费品到生产制造和医疗保健等一系列功能性应用的理想选择。

SLS 3D 打印热门材料

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。

材料说明应用
Nylon 12 Powder牢固、坚硬、结实且耐用
具备抗冲击能力,可以承受反复的磨损
抗紫外线、耐光、耐热、防潮、耐溶剂腐蚀、耐高温且防水
功能性原型制造
成品部件
医疗器械
Nylon 11 Powder性能类似于 Nylon 12 Powder,具有更高的弹性、断裂伸长率和抗冲击性,但刚度更低功能性原型制造
成品部件
医疗器械
聚氨酯柔韧有弹性,类似橡胶
变形后可复原
抗紫外线性高
减震能力出色
功能性原型制造
类橡胶的柔性成品部件
医疗器械
尼龙复合材料通过添加玻璃、铝或碳纤维而强化的尼龙材料,具备更高的强度和刚度功能性原型制造
结构性成品部件
Fuse 1 Sample Part
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塑料 3D 打印材料和工艺对比

每种 3D 打印材料和工艺都有其自身优缺点,适用于不同的应用。下表高度概括了一些关键特征和考量因素。

FDMSLASLS
优点支持低成本消费机器和材料高价值
高精度
表面光滑
支持多种功能性材料
坚固的功能性部件
设计自由度高
无需支撑结构
缺点精度低
细节差
设计兼容性有限
如果精度要求较高并且使用高性能材料,则需要购买高成本的工业级打印机
不能长期接触紫外线硬件成本更高
材料选择有限
应用低成本快速原型制造
基本概念验证模型

使用高端工业级打印机和材料制造成品部件
功能性原型制造
模型、模具和工具
牙科应用
珠宝原型制造和铸造模型和道具
功能性原型制造
短期、过渡式或定制制造
材料标准的热塑性塑料,如 ABS、PLA 及其各种混合材料(适用于消费级打印机)。高性能复合材料(适用于高成本的工业级打印机)各种树脂(热固性塑料)。标准树脂、工程树脂(类 ABS、类 PP、柔性、耐热)、可浇铸树脂、牙科树脂和医用树脂(生物相容性树脂)。工程热塑性塑料。Nylon 11 Powder、Nylon 12 Powder 及其复合材料,聚氨酯等热塑性弹性体

金属 3D 打印技术

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 (SLM) 和直接金属激光烧结 (DMLS) 

与 SLS 打印机类似,SLM 和 DMLS 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。

金属 3D 打印热门材料

  • 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。

  • 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。

     

金属 3D 打印的替代方案

与塑料 3D 打印技术相比,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。

塑料 3D 打印非常适合制造用于生产金属部件的可浇注模型。

挑选合适 3D 打印材料的准则

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。

第 1 步:确定性能需求

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。

要求说明建议
低性能对于形状及拟合原型制造、概念建模和研发,打印部件只需满足较低的技术性能要求。

示例:用于人体工程学测试的汤勺形状原型。除表面光洁度外,无其他功能性要求。
FDM:PLA
SLA:标准树脂、Clear Resin(透明部件)、Draft Resin(快速打印)
中等性能用于验证或预生产的打印部件在性能上必须尽可能贴近最终生产部件,以便进行功能测试,但没有严格的使用寿命要求。

示例:用于抵御意外冲击的电子元件外壳。性能要求包括能够吸收冲击、严密贴合并保持形状不变。
FDM:ABS
SLA:工程树脂
SLS:Nylon 11 Powder、Nylon 12 Powder、聚氨酯\
高性能3D 打印成品部件必须能够在特定时间段内承受极严重的磨损,可能是一天、一周或是数年。

示例:鞋底。性能要求包括可通过严格的循环装卸使用寿命测试、具备多年的色牢度以及抗撕裂性等。
FDM:复合材料 SLA:工程、牙科、医疗或珠宝树脂 SLS:Nylon 11 Powder、Nylon 12 Powder、聚氨酯、尼龙复合材料

第 2 步:将性能要求转化为材料要求

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。

要求说明建议
拉伸强度拉伸强度是指材料在承受拉力时的抗断裂能力。较高的拉伸强度对于结构性部件、承重部件、机械部件或静态部件非常重要。FDM:PLA
SLA:Clear Resin、Rigid Resin
SLS:Nylon 12 Powder、尼龙复合材料
弯曲模量弯曲模量是指材料在载荷下的抗弯曲能力,是区分刚性材料(高模量)和柔性材料(低模量)的良好指标。FDM:PLA(高)、ABS(中)
SLA:Rigid Resin(高)、Tough Resin 和 Durable Resin(中)、Flexible Resin 和 Elastic Resin(低)
SLS:尼龙复合材料(高)、Nylon 12 Powder(中)
伸长率伸长率是指材料在受到拉伸时的抗断裂能力,可帮助用户根据拉伸程度比较不同的弹性材料,还能够指示材料是先变形还是突然断裂。FDM: ABS (medium), TPU (high)
SLA: Tough and Durable Resins (medium), Polyurethane Resins (medium), Flexible and Elastic Resins (high)
SLS: Nylon 12 (medium), Nylon 11 (medium), TPU (high)
冲击强度冲击强度是指材料在吸收冲击和冲击能量的同时不发生断裂的能力。反映材料的韧性和耐用性,帮助用户了解材料掉落在地面或撞到其他物体时容易断裂的程度。FDM:ABS(中)、聚氨酯(高)
SLA:Rigid Resin(高)、Tough Resin 和 Durable Resin(中)、Flexible Resin 和 Elastic Resin(高)
SLS:Nylon 12 Powder(中)、Nylon 11 Powder(中)、聚氨酯(高)
热变形温度热变形温度是指样品在指定载荷下发生变形时的温度,用于指示材料是否适用于高温应用。SLA:High Temp Resin、Rigid Resin
SLS:Nylon 12 Powder、尼龙复合材料
硬度(硬度计)硬度是指材料抗表面形变的能力,可帮助用户确定软塑料的“柔软度”,如用于某些应用的橡胶和弹性体。FDM:聚氨酯
SLA:Flexible Resin、Elastic Resin
SLS:聚氨酯
抗撕裂强度抗撕裂强度是指材料在承受拉力时抗裂缝延伸的能力,对于评估软塑料和柔性材料(如橡胶)的耐久性和抗撕裂性十分重要。FDM:聚氨酯
SLA:Flexible Resin、Elastic Resin 、Durable Resin
SLS:Nylon 11 Powder、聚氨酯
蠕变蠕变是指材料在持续应力(拉伸、压缩、剪切或弯曲)下发生永久变形的趋势。蠕变越低,说明硬塑料的使用寿命越长,这一特性对于结构性部件至关重要。FDM:ABS
SLA:Rigid Resin
SLS:Nylon 12 Powder、尼龙复合材料
压缩形变压缩形变是指材料受到压缩后发生永久变形的趋势,对于软塑料和弹性应用非常重要,能够表明在去除载荷后材料是否会恢复原始形状。FDM:聚氨酯
SLA:Flexible Resin、Elastic Resin
SLS:聚氨酯

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。

第 3 步:做出选择

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。

找到最适合项目需求的 3D 打印材料

欢迎试用我们的交互式材料向导,根据应用以及您最在意的性能,在我们不断扩大的材料资源库中选择合适的材料。如果对于 3D 打印材料还有疑问,请随时联系我们的专家。

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