細(xì)絲與顆粒：選擇哪種類型的塑料進(jìn)行 3D 打印？

魔猴君  知識(shí)堂   117天前

塑料無(wú)疑是增材制造中最常用的材料系列之一。它們與各種工藝兼容，為零件提供多種屬性和特征，無(wú)論它們是原型、工具還是最終使用的物體。它們有多種形式可供選擇，比如長(zhǎng)絲、顆粒、粉末、樹脂等。

那么，長(zhǎng)絲和顆粒它們的特點(diǎn)和應(yīng)用是什么？它們與哪些 3D 打印工藝兼容？魔猴網(wǎng)將在這篇新的專門文章中和大家一起學(xué)習(xí)這些相關(guān)知識(shí)！

長(zhǎng)絲和顆粒是目前與增材制造兼容的兩種材料形式，盡管現(xiàn)在有金屬和陶瓷解決方案，但我們將只關(guān)注塑料。首先，有必要回到顆粒和塑料絲的定義。塑料顆粒，英文稱pellet，是一種直徑0.5厘米的小球，可以通過熔化、模壓或擠出來(lái)制造各種塑料制品。因此，塑料顆粒是化學(xué)工業(yè)的關(guān)鍵要素。它們可用于特定機(jī)器的增材制造。長(zhǎng)絲是通過將塑料顆?；蚍鬯榈乃芰蠌U料與多種添加劑混合而獲得的熱塑性塑料。要獲得這種管子外觀，必須使用長(zhǎng)絲擠出機(jī)。經(jīng)過幾個(gè)冷卻階段后，長(zhǎng)絲通過卷繞機(jī)獲得線軸，然后供 3D 打印機(jī)使用。

為了制造 3D 打印機(jī)的長(zhǎng)絲，您需要塑料顆粒（照片來(lái)源：Capifil）

長(zhǎng)絲和顆粒的特性和性能

塑料生產(chǎn)是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，近年來(lái)無(wú)論是在制造、就業(yè)還是投資方面，其數(shù)字都在不斷增加。這些塑料在離開煉油廠時(shí)可以采取不同的形式：液體、粉末或顆粒。在所有情況下，它們都會(huì)被成型以生產(chǎn)各種零件，無(wú)論是通過模制、注射、熱成型，當(dāng)然還有擠壓。如果我們首先對(duì)工業(yè)塑料顆粒感興趣，您應(yīng)該知道它們?cè)谑袌?chǎng)上數(shù)量極其眾多，并且根據(jù)其化學(xué)成分提供多種性能和特性。根據(jù)法國(guó)第n°2021-461號(hào)法令，它們被定義為“以不同形式銷售的外部尺寸大于0.01毫米且小于1厘米的塑料材料”。它們也可以有不同的顏色。

工業(yè)塑料顆粒是聚合物本身和化學(xué)添加劑的混合物。該制造過程中使用了多種聚合物，我們主要發(fā)現(xiàn)聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚苯乙烯 (PS) 甚至 PVC。顯然，根據(jù)所選擇的塑料顆粒，我們將獲得截然不同的機(jī)械特性和化學(xué)性能。  

塑料顆粒在市場(chǎng)上隨處可見（圖片來(lái)源：DEKRA Industrial）

顆粒在 3D 打印中的優(yōu)勢(shì)之一是它已經(jīng)用于更傳統(tǒng)的制造技術(shù)，例如注塑成型。因此，這意味著，如果您使用在增材制造中合格的材料，那么如果您切換到注射，您將能夠使用相同的材料，而無(wú)需經(jīng)過資格階段。這是一個(gè)相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于生產(chǎn)所謂的“優(yōu)質(zhì)材料”原型以及使用制造商已經(jīng)認(rèn)可的材料制造成品零件來(lái)說都非常受歡迎。

如果我們現(xiàn)在看看細(xì)絲，它們的制造過程會(huì)更長(zhǎng)，因?yàn)樗婕皩⑺芰项w粒轉(zhuǎn)化為能夠擠出的管子。因此，需要采取幾個(gè)步驟：我們首先去除顆粒中的水分。然后，這些材料被熔化，以便能夠通過擠出機(jī)，該工具將為我們的長(zhǎng)絲提供管狀形狀。一旦形成，長(zhǎng)絲就在合適的浴中冷卻。然后將其放入線軸中以在 3D 打印機(jī)上使用。  

在將顆粒轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)絲的過程中，您應(yīng)該知道添加了添加劑，這必然會(huì)改變?cè)牧?。?dāng)使用燈絲 3D 打印零件時(shí)，您將必須經(jīng)歷一個(gè)額外的材料鑒定階段。在兼容塑料方面，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)多種類型的聚合物，從PLA 到 ABS，包括彈性體和高性能塑料，如 PEEK 或 PEI。根據(jù)所選擇的燈絲，部件的特性會(huì)有所不同：如果我們尋求透明度，我們會(huì)選擇聚碳酸酯，而如果我們想要機(jī)械阻力，我們會(huì)選擇PEEK。  

請(qǐng)注意，某些塑料由于其化學(xué)成分而更難轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)絲：因此，如果您選擇顆粒 3D 打印，您將在材料方面有更廣泛的選擇。

KIMYA 長(zhǎng)絲生產(chǎn)工廠（照片來(lái)源：Hervé Boutet）

兼容的3D打印工藝

無(wú)論您選擇塑料顆粒還是長(zhǎng)絲，首選的打印工藝都是擠出，更具體地說，長(zhǎng)絲的熔融沉積(FDM/FFF) 和顆粒的熔融顆粒制造 (FGF)。原理基本相同：我們加熱塑料材料，該塑料材料將通過擠出機(jī)逐層沉積在板上，形成最終物體。不同之處在于用于執(zhí)行此擠壓的工具。

對(duì)于長(zhǎng)絲，3D 打印機(jī)使用配備步進(jìn)電機(jī)和齒輪的擠出機(jī)，允許長(zhǎng)絲向前或向后移動(dòng)。該喂料器的末端是一個(gè)加熱塊，顧名思義，它可以加熱材料。然后，該細(xì)絲進(jìn)入直徑在 0.4 至 0.8 毫米之間的噴嘴，噴嘴移動(dòng)以將細(xì)絲沉積在板上。根據(jù)您使用的材料，您將需要黃銅或銅噴嘴、加熱外殼、加熱壓板等。特別是熱塑性塑料將定義所需的機(jī)器類型和打印參數(shù)。   

對(duì)于顆粒，擠出過程略有不同：3D 打印機(jī)使用料斗系統(tǒng)來(lái)吸收塑料球并將其推至熔融區(qū)域。然后顆粒軟化并通過噴嘴噴射，然后將材料逐層沉積在印刷板上。請(qǐng)注意，該噴嘴可以具有不同的直徑，通常大于使用細(xì)絲的 FDM 3D 打印機(jī)上使用的直徑。最后，這種類型的擠出系統(tǒng)可以安裝在機(jī)械臂上，以提供更大的打印表面和靈活性

塑料顆粒的擠出系統(tǒng)與長(zhǎng)絲的擠出系統(tǒng)不同（照片來(lái)源：Pollen AM）

使用塑料顆粒將可以獲得比使用細(xì)絲更高的沉積速度和更大的體積。另一方面，精度和分辨率就不那么重要了。因此，我們傾向于對(duì)大型零件進(jìn)行 3D 打印顆粒，因?yàn)闊o(wú)需更換線材線軸，機(jī)器能夠不間斷地?cái)D出大量顆粒。但請(qǐng)注意，3D 顆粒打印機(jī)無(wú)法縮回材料，這可能會(huì)在噴嘴處產(chǎn)生比 FDM 機(jī)器更大的塑料流量。為了中斷材料的流動(dòng)，必須停止或堵塞噴嘴。因此，利用細(xì)絲 3D 打印來(lái)設(shè)計(jì)更復(fù)雜、更詳細(xì)的零件符合我們的利益。   

細(xì)絲或顆粒在3D打印中的應(yīng)用

總體而言，顆?；蚣?xì)絲 3D 打印的應(yīng)用非常相似：原型制作、模具、成品零件，范圍很廣。但正如您所理解的，在開始其中一項(xiàng)之前需要考慮一些本質(zhì)區(qū)別。  

在燈絲方面，由于其多功能性和市場(chǎng)上的可用性，它們提供了廣泛的應(yīng)用。它們非常適合創(chuàng)建中等尺寸的零件，也適合需要一定程度的細(xì)節(jié)和精度的項(xiàng)目。細(xì)絲廣泛應(yīng)用于快速原型制作領(lǐng)域，允許設(shè)計(jì)師和工程師在最終生產(chǎn)之前創(chuàng)建模型并進(jìn)行多次測(cè)試以評(píng)估概念。根據(jù)相關(guān)長(zhǎng)絲的特性，可以設(shè)計(jì)用于汽車、航空、食品、醫(yī)療行業(yè)等的零件。一些熱塑性塑料實(shí)際上具有防火和防煙功能；其他具有生物相容性；有些采用碳纖維加固，在保持輕質(zhì)的同時(shí)更耐用。  

由 Slicelab 設(shè)計(jì)并在 EXT 1270 Titan Pellet 3D 打印機(jī)上使用 PETG 顆粒打印的蒸汽椅

如果我們觀察顆粒，特別有趣的是可以通過混合不同類型的塑料來(lái)創(chuàng)建定制配方。這種多功能性為多種應(yīng)用打開了大門，特別是在衛(wèi)生領(lǐng)域，可以開發(fā)生物相容性材料來(lái)制造定制假肢和植入物。在汽車領(lǐng)域，顆粒用于制造儀表板元件、電纜支架、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和機(jī)械部件等定制零件，從而加快開發(fā)過程并降低成本。它們?cè)谠O(shè)計(jì)領(lǐng)域也很受歡迎，用于制作更大的家具和裝飾品。最后，要知道可以用回收材料設(shè)計(jì)顆粒，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的邏輯，這是我們當(dāng)今社會(huì)特別重要的概念。這些相同的回收顆?？捎糜谏a(chǎn)長(zhǎng)絲。

最后，正如本文前面提到的，在增材制造中使用顆粒對(duì)于材料原型制作特別有趣。由于 3D 打印和注射中的原材料相同，操作員將能夠 3D 打印其原型，在進(jìn)入批量生產(chǎn)之前將其提交測(cè)試和認(rèn)證，而無(wú)需經(jīng)過額外的認(rèn)證階段。對(duì)于制造商來(lái)說，這可以節(jié)省大量時(shí)間。

材料價(jià)格

長(zhǎng)絲在市場(chǎng)上隨處可見，而且對(duì)于初學(xué)者來(lái)說往往更便宜。它們以線軸形式出售，一般為 750 克，這使得它們更易于管理和存儲(chǔ)。價(jià)格根據(jù)燈絲類型而有所不同，但一般來(lái)說，您可以花大約 20-30 歐元買到一卷 PLA（最受歡迎的材料之一）。然而，一些更具體的細(xì)絲，例如柔性或復(fù)合細(xì)絲，可能更昂貴，每軸 30 至 50 歐元不等。此外，如果您經(jīng)常打印大型物體，耗材的成本會(huì)迅速增加。

與長(zhǎng)絲不同，顆粒通常以數(shù)公斤袋出售，這意味著您可以一次購(gòu)買大量材料。這可能意味著更高的初始投資，因?yàn)榇b顆粒的價(jià)格可能從 50 到 100 歐元甚至更多不等，具體取決于塑料的類型和數(shù)量。從純粹的經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，顆粒往往勝過長(zhǎng)絲。每公斤顆粒的價(jià)格比長(zhǎng)絲便宜，主要是由于制造后者所需的加工過程。另一方面，想要購(gòu)買少量塑料顆粒的用戶可能會(huì)難以找到所需的數(shù)量。  

因此應(yīng)該記住，盡管由于批量購(gòu)買，顆粒的初始價(jià)格可能看起來(lái)更高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，對(duì)于經(jīng)常使用 3D 打印的用戶來(lái)說，它可能更有利。這當(dāng)然取決于您的需求和預(yù)算。

一卷長(zhǎng)絲仍然相對(duì)容易接近（照片來(lái)源：La Nouvelle Ecole）

市場(chǎng)長(zhǎng)絲和顆粒制造商

在3D打印市場(chǎng)上，有眾多的線材和顆粒制造商，每個(gè)制造商都為這個(gè)不斷發(fā)展的行業(yè)做出了自己的貢獻(xiàn)。如前所述，細(xì)絲因其易用性和可及性而廣受歡迎。 Polymaker、3DXtech、3D4Makers、Nanovia、ColorFabb 等公司提供種類繁多的高品質(zhì)線材，從PLA到PETG再到ABS。大型化學(xué)家對(duì)該行業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)，其中一些化學(xué)家開發(fā)了自己的長(zhǎng)絲品牌，例如巴斯夫或贏創(chuàng)。

在塑料顆粒方面，制造商更多是相同的化學(xué)集團(tuán)——阿科瑪或沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司僅舉兩例。我們還有 Felfil、3DXtech 或 Xtellar 等播放器。有些甚至專門利用回收廢物生產(chǎn)塑料顆粒，例如美國(guó)的re3D；其他公司則專注于顆粒和長(zhǎng)絲生產(chǎn)，例如 KIMYA。

總之，這兩種塑料都具有適合不同制造情況的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。確保使用正確的材料來(lái)最大限度地提高增材制造工藝的效率！

來(lái)源：3dnatives