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干貨!詳解3D打印PLA塑料

魔猴君  知識堂   52天前

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即使您是3D打印領(lǐng)域的新手,您也可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)PLA線(xiàn)材,這是目前最流行的3D打印材料。聚乳酸,通常稱(chēng)為PLA,是一種熱塑性塑料,其成分可從玉米和甘蔗等可再生資源中提取。

它最出名的是用于3D打印行業(yè),以線(xiàn)材(稱(chēng)為長(cháng)絲)的卷軸形式出售。它相對容易使用,通常只需很少的努力就能生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件,尤其是在熔融沉積成型(FDM)3D打印機上。但由于其獨特的性能,PLA塑料也用于其他制造環(huán)境。

在本文中,魔猴網(wǎng)將全面介紹PLA塑料,尤其是其在3D打印中的應用。我們將介紹這種塑料的制造方法、其優(yōu)缺點(diǎn)、用途、制造方法、特性、可持續性問(wèn)題等。

一、PLA是如何制造的?


PLA塑料的出現與植物基塑料的出現相去甚遠(來(lái)源:3DPmom via MakerWorld)

雖然這個(gè)過(guò)程可能不會(huì )發(fā)生在你眼前,但了解長(cháng)絲或材料的制作方法還是有好處的。與許多使用精煉原油制成的塑料不同,PLA的主要成分可以來(lái)自玉米淀粉和甘蔗等植物物質(zhì)。

原料

首先,玉米等天然原料經(jīng)過(guò)濕磨,分離出植物淀粉。提取后,將淀粉與酶和其他化學(xué)物質(zhì)混合加熱,釋放出葡萄糖(D-葡萄糖),一種糖。然后,葡萄糖發(fā)酵,產(chǎn)生乳酸單體,聚乳酸主要由乳酸單體組成(正如您可能從名稱(chēng)中猜到的那樣)。

其中,將乳酸轉化為PLA材料的最常用方法是將乳酸縮合成丙交酯,然后使用特殊的聚合工藝,通過(guò)添加不同的催化劑和熱量將分子結合在一起形成長(cháng)聚合物鏈。

線(xiàn)材


出售的燈絲寬度為1.75或2.85毫米(來(lái)源:MatterHackers)

PLA加工完成后,塑料會(huì )被制成顆粒并作為原材料出售。在生產(chǎn)PLA長(cháng)絲時(shí),長(cháng)絲制造商首先將這些PLA顆粒與其他物質(zhì)混合。這些添加劑通常會(huì )增強最終產(chǎn)品的性能,例如熱性能、顏色或強度。

然后將新混合物裝入特殊的長(cháng)絲擠出機,該擠出機將顆粒熔化,然后冷卻成具有精確直徑(通常為1.75或2.85毫米)的細絲形式。最后,將細絲塑料纏繞在線(xiàn)軸上,包裝并運往世界各地。

PLA用于長(cháng)絲制造以外的其他環(huán)境時(shí),其過(guò)程非常相似,只是最終成型取決于預期的最終產(chǎn)品。

二、優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)


PLA具有多種顏色和效果(來(lái)源:Mathieu via Printables)

PLA作為3D打印材料具有一些明顯的優(yōu)勢,但必須認識到這種材料并不完美,也存在一些缺點(diǎn)。下面,我們列出了這種材料的一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)

易于打印PLA打印起來(lái)非常方便;幾乎所有3D打印機都可以打印這種材料,而且不需要加熱床。與其他打印材料相比,PLA所需的溫度相對較低,打印速度較快(約60毫米/秒),并且不需要外殼。

價(jià)格低廉:與尼龍或聚碳酸酯(PC)等其他更專(zhuān)業(yè)的打印材料相比,PLA價(jià)格相當便宜,因此對于預算有限的制造商來(lái)說(shuō),它是一個(gè)不錯的選擇。

顏色和選擇范圍廣泛PLA有多種形式,制造商幾乎可以制造出您能想到的任何顏色。此外,還有復合和特殊用途的PLA長(cháng)絲,例如碳纖維注入的PLA、閃光PLA,甚至有香味的PLA。

更環(huán)保PLA源自可再生資源,而不是像大多數其他熱塑性塑料一樣源自石化產(chǎn)品。此外,研究表明,與傳統塑料相比,PLA的生產(chǎn)能耗降低了65%,產(chǎn)生的溫室氣體也大大減少。

無(wú)毒PLA在不受污染的情況下是無(wú)毒的,可擴大其應用范圍至醫療、食品等行業(yè)。

缺點(diǎn)


PLA是一種脆性材料,在打印之前就可能斷裂?。▉?lái)源:fleaz via Reddit)

易碎且相對較弱PLA最明顯的缺點(diǎn)是其抗彎強度低。3D打印的PLA部件明顯比注塑部件甚至用其他材料(如PETG和ABS)3D打印的部件要弱得多。PLA部件通常也不會(huì )彎曲;施加足夠的力后它們會(huì )很快折斷,這意味著(zhù)這種材料非常脆。

耐高溫性差PLA不僅不是最堅固的材料,而且耐熱性也不好。PLA的玻璃化轉變溫度較低,因此用這種材料打印的部件在高溫條件下容易變形,因此PLA不是戶(hù)外使用的理想材料。

無(wú)法生物降解:雖然許多人吹捧PLA具有生物降解性,但實(shí)際上并非如此。它在環(huán)境中自然降解的條件非常罕見(jiàn)。更準確地說(shuō),PLA是工業(yè)可堆肥的。

三、用途


PLA可用于醫療用途,例如植入物(來(lái)源:Evonik)

PLA是最受歡迎的3D打印材料,但除了3D打印之外,它還有許多用途:

食品包裝PLA是一種無(wú)毒且理論上食品安全的材料,由于不會(huì )污染食品,因此它是一種非常適合食品包裝的塑料。例如,食品包裝公司BioPak已成功使用PLA制造出食品安全的食品包裝。

醫療PLA的無(wú)毒成分使其在醫療保健行業(yè)中大有用武之地。PLA因其與人體的相容性而被用于組織工程。

原型制作PLA原型制作通常通過(guò)3D打印完成,對于企業(yè)和個(gè)人來(lái)說(shuō),這是一種將想法變成現實(shí)的好方法。這是因為PLA打印起來(lái)非常簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,并且可以與任何FDM 3D打印機一起使用。

紡織品PLA還用于生產(chǎn)纖維和其他紡織品,因為它透氣性好、重量輕、與染料相容。特別是,您可能會(huì )發(fā)現它用于墊子和被子、地毯、尿布甚至服裝面料的纖維填充。

化妝品:化妝品行業(yè)是塑料垃圾的一大來(lái)源,而PLA因其環(huán)保特性而作為包裝替代品越來(lái)越受歡迎。

現在您已經(jīng)了解了PLA最常用的行業(yè),下面是生產(chǎn)PLA組件的幾種方法:

3D打印FDM 3D打印是一種非常常見(jiàn)的PLA部件生產(chǎn)方法。該材料非常易于打印,不需要高溫、加熱床或直接擠壓裝置。

注塑成型:注塑成型是制造熱塑性塑料最流行的方法,因為它可用于生產(chǎn)從樂(lè )高積木到汽車(chē)內部零件(如儀表板)等各種零件。一次性PLA餐具就是使用此方法制造的。

熱成型和吹塑:如果您曾經(jīng)收到過(guò)標有PLA的一次性食品包裝,那么它很可能是用這兩種方法之一加工的。熱成型需要一張PLA片材,加熱使其軟化,然后將其壓在模具上,使PLA貼合其形狀。吹塑是一個(gè)類(lèi)似的概念,但從一根管子開(kāi)始,并使用加壓空氣將圓柱體膨脹成瓶形模具。

四、材料特性


不要將PLA部件放入洗碗機(來(lái)源:DusBus via Reddit)

雖然我們已經(jīng)提到了一些材料特性,例如脆性,但PLA塑料還有許多其他值得討論的特性:

強度PLA并不是一種以強度聞名的塑料(尼龍或PC才是),但PLA部件的強度更多地取決于其制造方式,而不是材料本身。例如,使用更高的填充密度和層高將產(chǎn)生更堅固的3D打印部件。

柔韌性PLA是一種硬質(zhì)塑料,這意味著(zhù)與其他塑料(尤其是TPU等柔性塑料)相比,它的抗彎強度較低。此外,正如我們所提到的,PLA很脆。它通常不會(huì )彎曲,而是會(huì )折斷。

耐高溫性PLA需要的打印溫度相對較低,但這也意味著(zhù)打印后其耐高溫性會(huì )降低。這就是為什么我們建議不要將PLA用于戶(hù)外或陽(yáng)光直射下的部件,因為它們很容易變形。并且,如上所述,如果需要清洗部件,請避免使用洗碗機。

抗紫外線(xiàn)PLA長(cháng)時(shí)間暴露在紫外線(xiàn)下會(huì )褪色。如果與高溫結合,降解速度會(huì )加快,并導致脆化。

耐化學(xué)性PLA不溶于丙酮或異丙醇等溶劑,總體而言,PLA塑料是一種耐化學(xué)性且穩定的材料。但是,您仍然可以使用乙酸乙酯等溶劑和XTC3D等混合物來(lái)溶解或使PLA部件分層光滑。

五、打印性能


與其他打印材料相比,PLA長(cháng)絲是一種易于3D打印的材料(來(lái)源:GlennovitS 3D via MakerWorld)

PLA天生就是3D打印的絕佳材料,不同于尼龍或聚碳酸酯等其他塑料,它們不易轉化為增材制造??傮w而言,由于一些因素,PLA具有出色的打印性能。

首先,PLA不需要加熱床、外殼或直接擠壓裝置,因此打印這種材料所需的設備并不昂貴,有時(shí)甚至不到100美元。ABS、PETG和TPU等材料都需要其中至少一項才能制作出高質(zhì)量的打印件。

其次,PLA材料隨處可見(jiàn),而且消費級3D打印行業(yè)發(fā)展迅速,PLA材料線(xiàn)材在網(wǎng)上隨處可見(jiàn)。PLA材料線(xiàn)材價(jià)格也相當便宜,每公斤約20美元起。其他材料線(xiàn)材(如PETG)每公斤要多花幾美元,而且可供選擇的材料較少。

第三,PLA對各種打印設置的容忍度很高(在合理范圍內),因此無(wú)需經(jīng)過(guò)漫長(cháng)的測試過(guò)程來(lái)完善切片機設置,即可輕松獲得良好的打印效果。大多數默認切片機配置文件都會(huì )讓您立即獲得令人滿(mǎn)意的模型,只需稍加調整即可進(jìn)一步改善打印效果。相比之下,ABS、PETG和TPU都對切片機設置很敏感,因此這些材料的切片機配置文件需要進(jìn)行精細調整才能產(chǎn)生良好的打印效果。

最后,PLA的打印速度比大多數其他材料都要快,而且由于人們對快速成型的需求,PLA因快速開(kāi)發(fā)原型而廣受歡迎。沒(méi)有人愿意等待數天直到他們的第一個(gè)原型生產(chǎn)出來(lái),因為到那時(shí),他們可能已經(jīng)轉向下一個(gè)原型了!

六、PLA的類(lèi)型


目前市場(chǎng)上有許多不同類(lèi)型的PLA線(xiàn)材可供選擇(來(lái)源:Jamie H.via Protopasta)

多年來(lái),已經(jīng)出現了許多獨特類(lèi)型的PLA長(cháng)絲,為消費者提供了多種選擇:

標準PLA

首先,標準PLA是3D打印行業(yè)流行的常規PLA類(lèi)型,除了PLA材料的基本屬性和最佳價(jià)格之外,沒(méi)有什么獨特或特殊的功能。

與標準選項沒(méi)有太大區別,再生PLA越來(lái)越普及,而且從可信賴(lài)的制造商處購買(mǎi)時(shí)質(zhì)量?jì)?yōu)良。

美觀(guān)PLA

這就是PLA真正閃耀的地方——確實(shí)如此。作為裝飾打印的絕佳選擇,燈絲制造商在各種可能性方面都發(fā)揮了很大的創(chuàng )造力(盡管我們不能保證在強度方面有任何優(yōu)勢)。最常見(jiàn)的一種變體是絲綢PLA,它可以為部件提供超級閃亮、光滑和絲滑的表面,常用于花瓶等部件。閃光或閃亮的PLA包含非常明顯的大閃光顆粒,因此您可以獲得閃閃發(fā)光的打印部件。由于燈絲中含有特殊添加劑,夜光PLA會(huì )在黑暗中發(fā)光。還有雙色、彩虹和漸變燈絲,可讓PLA部件呈現五彩繽紛,無(wú)需上漆。如果想要獨特的外觀(guān),請嘗試透明或啞光PLA燈絲。

采用與美學(xué)長(cháng)絲略有不同的方法,旨在模仿天然材料的復合長(cháng)絲可以將3D打印提升到一個(gè)新的水平。木質(zhì)PLA通常包含實(shí)際的木材顆粒,使其具有逼真的木雕外觀(guān),非常適合制作牌匾等印刷品。大理石PLA長(cháng)絲是另一種流行的選擇,有時(shí)(但并非總是)包含小石粒,以產(chǎn)生大理石般的斑點(diǎn)效果。

功能

“Plus”和“Pro”是線(xiàn)材行業(yè)的常用術(shù)語(yǔ),用于描述混合了特殊添加劑以提高性能(通常指強度)的材料。如果您想打印實(shí)用的、實(shí)際使用的部件,這些部件會(huì )受到物理應力,但仍然易于打印,那么Pro PLA和PLA+是不錯的選擇。

為了獲得更高的強度,碳纖維PLA是一種復合長(cháng)絲,其中含有碳纖維顆粒,可提高PLA的強度和耐用性,同時(shí)保持其大部分易用性。

除了為提高強度而配制的長(cháng)絲外,PLA變體還旨在改善其他重要的物理特性。這些包括軟PLA、柔性TPU類(lèi)長(cháng)絲、耐熱PLA和用于低強度電氣項目的導電PLA。

七、毒性與食品安全

 

PLA作為純材料是食品安全的,但污染物可能會(huì )進(jìn)入裂縫中(來(lái)源:Jakub Ko?ívia Prush Research)

最后,討論PLA塑料的毒性和食品安全性非常重要,因為這是使用任何材料的關(guān)鍵考慮因素。PLA是一種無(wú)毒材料,理論上可用于生產(chǎn)食品安全物品,不同于A(yíng)BS等其他3D打印塑料。然而,許多其他因素也會(huì )影響PLA的食品安全性,尤其是如果它是3D打印部件。

材料無(wú)毒并不意味著(zhù)可以安全地與食物接觸。例如,FDM 3D打印逐層創(chuàng )建零件,這些層之間有微小的間隙。這些間隙可能會(huì )捕獲異物,從而可能污染零件并為細菌提供良好的生存環(huán)境。

在將部件與食物接觸之前,請記住PLA長(cháng)絲會(huì )通過(guò)擠出機、管子、熱端和噴嘴,而這些位置都有其他潛在不安全的材料與PLA接觸。我們建議在嘗試打印任何會(huì )與食物接觸的東西之前,先查閱我們的食品安全部件打印指南。

此外,PLA長(cháng)絲中經(jīng)常添加增塑劑等添加劑,這可能會(huì )對長(cháng)絲的食品安全產(chǎn)生未知(且未經(jīng)測試)的影響。添加劑可能會(huì )從材料中滲出,尤其是在接觸某些液體或在高溫下時(shí)。這就是為什么最好堅持使用根據食品安全標準配制和制造的PLA長(cháng)絲。

考慮到這一點(diǎn),重要的是要記住,雖然純PLA塑料無(wú)毒且食品安全,但其他材料和顆粒會(huì )影響成品的安全性。

八、可持續發(fā)展


PLA需要很長(cháng)時(shí)間才能自然分解(來(lái)源:Hobby Hoarder via YouTube)

正如我們提到的,PLA塑料的原料是玉米等植物,而不是大多數其他塑料所用的有害物質(zhì),如原油。這意味著(zhù)PLA在很大程度上是一種可持續材料,因為植物相對可再生。

然而,生產(chǎn)PLA所需的植物是重要的食物來(lái)源,有些人可能會(huì )認為,使用這些有限的農作物來(lái)制造塑料比制造食物更不符合地球的最佳利益。目前,有研究正在尋求使用農作物副產(chǎn)品而不是農作物本身來(lái)生產(chǎn)PLA。

從技術(shù)上講,PLA也是可生物降解的,但即使在理想環(huán)境下,PLA塑料部件也需要很長(cháng)時(shí)間才能降解。一項研究發(fā)現,在受控的堆肥環(huán)境中,通過(guò)加熱和分解生物來(lái)加速這一過(guò)程,PLA塑料需要三個(gè)月才能分解。

PLA在自然、不受控制的條件下分解甚至需要超過(guò)三個(gè)月的時(shí)間。因此,您不能將所有舊3DBenchys扔進(jìn)堆肥機或扔到地上。相反,最好盡可能將PLA送到能夠回收3D打印廢料的特殊設施?;蛘?,只要您有足夠的決心,您也可以自己回收PLA廢料!

您還可以通過(guò)購買(mǎi)再生長(cháng)絲來(lái)減少原始材料的消耗。近年來(lái),回收印刷廢料的方法有了很大的改進(jìn),但一些公司也從工業(yè)廢料中獲取回收材料。無(wú)論哪種方式,再生PLA長(cháng)絲仍然可以像全新材料一樣精美地打印。



編譯整理:ALL3DP

本文提到的3D打印材料簡(jiǎn)介

適合做早期原型、模型,或者雕塑的造型設計,表面較粗糙
PLA和木材的混合物,打印出的物品有木質(zhì)的感覺(jué),適合做一些家具類(lèi)或者木質(zhì)外殼類(lèi)的驗證,比較粗糙,紋理清晰可見(jiàn)。
   

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