樹脂VS粉末：應該為3D打印選擇哪種材料?
時間：2023-01-13 11:24 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：根據不同的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別在于它們在受熱時的行為不同。熱固性塑料在固化時會分解，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所需的形狀并經歷各種熔化和凝固過程，每次重新加熱時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域，例如汽車行業（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 Linker 報告，到 2029 年，市場預計將達到30億美元；于樹脂，根據 Fortune Business Insights，到2029年，市場預計將超過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，以及用于樹脂的材料噴射或光聚合激素，下文將詳細介紹這些內容，以及后處理、定價、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，根據其性能，在不同的領域有不同的應用。使用樹脂進行 3D 打印可以制造具有精細結構的小物體。市場上常用的樹脂包括：
●標準樹脂：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。
●工業樹脂：適用于制造要求堅硬表面的零件，主要分為兩種：
▷耐溫樹脂：能夠承受高達 238 oC 的溫度，用于生產需要更多精度細節、高精度和高熱穩定性的原型。
▷燒結樹脂：這是一種具有高度細節和出色表面光潔度的樹脂，其固化過程比其他樹脂更快。主要特點是澆注后工序干凈，不留殘渣。
●牙科樹脂：牙科領域有特殊樹脂，可以根據需要著色、透明、更靈活或更堅硬，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。
△樹脂在牙科行業中發揮著重要作用（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。
▷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更環保。
●PEEK：這是一種半結晶熱塑性塑料，因其機械性能、耐熱性和耐磨性以及由于其比強度高，能夠在工業界替代某些金屬。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、航空航天和醫療行業。
●復合材料：復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，從而產生更輕、更強和更硬的材料；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 ) 也是半結晶的，其特點是耐化學品、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。
塑料粉末的一個優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，因此可以在燒結過程后將它們篩分并與新粉末混合，以重復使用多余的材料，從而避免浪費。
△圖片來源：巴斯夫
3D 打印數字工作流程
一、樹脂
對于樹脂 3D 打印，最常用的方法之一是光聚合技術。這包括 SLA、DLP 和 LCD 工藝，并使用紫外線 (UV) 光固化樹脂，這些過程之間的區別在于所使用的光源。例如，SLA 使用激光逐點固化樹脂，而DLP使用投影儀在單個投影中固化整個樹脂托盤；與樹脂兼容的另一種完全不同的工藝是材料噴射技術，其中同時使用多種樹脂，包括使用透明樹脂的可能性。
現在我們需要談一談后處理，打印后，零件表面經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計過程中添加的任何支撐，當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都必須在打印后立即完成，因此由樹脂制成的部件必須經過額外的熱處理。這有很多方法，從簡單的光聚合（例如在陽光下）到使用固化設備都可以。固化時間因部件而異。最后，在精加工時，可以通過機械加工等表面處理平滑表面、加固零件本身，創造美觀的表面。
對于樹脂還有一點要特別說明，就是毒性，它在與皮膚接觸時經常會引起嚴重的刺激和過敏，尤其是當暴露在太陽的紫外線下時。處理樹脂時還要小心吸入蒸氣，由于它們的高毒性，可能會導致使用者頭暈，因此佩戴足夠的保護裝置很重要。
△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 之間存在區別。在 SLS 技術中，在構建板上沉積一層薄薄的粉末后，使用激光選擇性地燒結粉末并固化選定區域。惠普的 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域。同時，涂上細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，主要區別在于該技術使用高能吸收流體，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。這涉及一個冷卻過程，根據零件的不同，該過程最多可能需要 10 個小時。然后是去除粉末，這一步可以手動完成，也可以使用機器自動完成。操作人員必須穿戴特殊防護設備，因為吸入粉末會導致健康危害，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格區間
這兩種材料的價格在很大程度上取決于它們各自的性能和應用。500克標準黑色樹脂起價約為 25 美元，而一升則高達 400 多美元。塑料粉末的價格范圍:例如，PA 11 的價格在每公斤 75 到 320 美元之間。當使用塑料粉末打印時，它可以重復使用到一定比例，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責生產原材料的化學企業，以及隨后使用它們甚至有時甚至與化學集團合作開發它們的 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 打印機制造商合作并經常開發自己的材料。zortrax、Formlabs 和 EnvisionTEC 在這些方面做的也很不錯。
●對于塑料粉末，比較有名的供應商為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，因為一些樹脂機器仍然是封閉的，即它們只與制造商自己開發的材料兼容。
樹脂和粉末的應用
對于樹脂，應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的更多彩色組件。樹脂在醫療領域也很受歡迎，尤其是在牙科領域，特別是用于制作手術導板、牙冠或植入物。
就塑料粉末的可能應用而言，它們可以用于衛生領域。尼龍具有生物相容性，因此非常適合制造假肢，因為它可以與皮膚直接接觸。制造業也經常使用這類材料，因為它們用于功能性原型、中小型系列。例如，它可以用來制造齒輪甚至鉸鏈。
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別在于它們在受熱時的行為不同。熱固性塑料在固化時會分解，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所需的形狀并經歷各種熔化和凝固過程，每次重新加熱時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域，例如汽車行業（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 Linker 報告，到 2029 年，市場預計將達到30億美元；于樹脂，根據 Fortune Business Insights，到2029年，市場預計將超過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，以及用于樹脂的材料噴射或光聚合激素，下文將詳細介紹這些內容，以及后處理、定價、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，根據其性能，在不同的領域有不同的應用。使用樹脂進行 3D 打印可以制造具有精細結構的小物體。市場上常用的樹脂包括：
●標準樹脂：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。
●工業樹脂：適用于制造要求堅硬表面的零件，主要分為兩種：
▷耐溫樹脂：能夠承受高達 238 oC 的溫度，用于生產需要更多精度細節、高精度和高熱穩定性的原型。
▷燒結樹脂：這是一種具有高度細節和出色表面光潔度的樹脂，其固化過程比其他樹脂更快。主要特點是澆注后工序干凈，不留殘渣。
●牙科樹脂：牙科領域有特殊樹脂，可以根據需要著色、透明、更靈活或更堅硬，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。
△樹脂在牙科行業中發揮著重要作用（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。
▷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更環保。
●PEEK：這是一種半結晶熱塑性塑料，因其機械性能、耐熱性和耐磨性以及由于其比強度高，能夠在工業界替代某些金屬。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、航空航天和醫療行業。
●復合材料：復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，從而產生更輕、更強和更硬的材料；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 ) 也是半結晶的，其特點是耐化學品、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。
塑料粉末的一個優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，因此可以在燒結過程后將它們篩分并與新粉末混合，以重復使用多余的材料，從而避免浪費。
△圖片來源：巴斯夫
3D 打印數字工作流程
一、樹脂
對于樹脂 3D 打印，最常用的方法之一是光聚合技術。這包括 SLA、DLP 和 LCD 工藝，并使用紫外線 (UV) 光固化樹脂，這些過程之間的區別在于所使用的光源。例如，SLA 使用激光逐點固化樹脂，而DLP使用投影儀在單個投影中固化整個樹脂托盤；與樹脂兼容的另一種完全不同的工藝是材料噴射技術，其中同時使用多種樹脂，包括使用透明樹脂的可能性。
現在我們需要談一談后處理，打印后，零件表面經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計過程中添加的任何支撐，當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都必須在打印后立即完成，因此由樹脂制成的部件必須經過額外的熱處理。這有很多方法，從簡單的光聚合（例如在陽光下）到使用固化設備都可以。固化時間因部件而異。最后，在精加工時，可以通過機械加工等表面處理平滑表面、加固零件本身，創造美觀的表面。
對于樹脂還有一點要特別說明，就是毒性，它在與皮膚接觸時經常會引起嚴重的刺激和過敏，尤其是當暴露在太陽的紫外線下時。處理樹脂時還要小心吸入蒸氣，由于它們的高毒性，可能會導致使用者頭暈，因此佩戴足夠的保護裝置很重要。
△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 之間存在區別。在 SLS 技術中，在構建板上沉積一層薄薄的粉末后，使用激光選擇性地燒結粉末并固化選定區域。惠普的 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域。同時，涂上細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，主要區別在于該技術使用高能吸收流體，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。這涉及一個冷卻過程，根據零件的不同，該過程最多可能需要 10 個小時。然后是去除粉末，這一步可以手動完成，也可以使用機器自動完成。操作人員必須穿戴特殊防護設備，因為吸入粉末會導致健康危害，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格區間
這兩種材料的價格在很大程度上取決于它們各自的性能和應用。500克標準黑色樹脂起價約為 25 美元，而一升則高達 400 多美元。塑料粉末的價格范圍:例如，PA 11 的價格在每公斤 75 到 320 美元之間。當使用塑料粉末打印時，它可以重復使用到一定比例，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責生產原材料的化學企業，以及隨后使用它們甚至有時甚至與化學集團合作開發它們的 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 打印機制造商合作并經常開發自己的材料。zortrax、Formlabs 和 EnvisionTEC 在這些方面做的也很不錯。
●對于塑料粉末，比較有名的供應商為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，因為一些樹脂機器仍然是封閉的，即它們只與制造商自己開發的材料兼容。
樹脂和粉末的應用
對于樹脂，應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的更多彩色組件。樹脂在醫療領域也很受歡迎，尤其是在牙科領域，特別是用于制作手術導板、牙冠或植入物。
就塑料粉末的可能應用而言，它們可以用于衛生領域。尼龍具有生物相容性，因此非常適合制造假肢，因為它可以與皮膚直接接觸。制造業也經常使用這類材料，因為它們用于功能性原型、中小型系列。例如，它可以用來制造齒輪甚至鉸鏈。
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