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摘 要：基于研究不同种类3D打印耗材性能的差异，采用自制开源3D打印机的方法，通过利用不同种类耗材打印三维模型的实验，了解了不同3D打印耗材的性能和特点，特别是PLA（聚乳酸）和ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）两大3D打印耗材的特点，分析不同结构3D打印机和耗材的特点和性能优劣，更为清晰地了解3D打印机的工作原理，掌握其性能，便于操作和应用。
关键词：3D打印耗材;PLA;ABS
1. 绪论
3D打印机又称三维打印机（3DP），是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。
该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。发展3D打印产业，可以提升我国工业领域的产品开发水平，提高工业设计能力;可以生产复杂、特殊、个性化的产品，有助于攻克技术难关;可以形成新的经济增长点，促进就业。分析不同结构3D打印机和耗材的特点和性能优劣，更为清晰地了解3D打印机的工作原理，便于掌握性能和应用。认为在将来很长一段时间内，塑料材料将仍是3D打印的主流材料的结论。
2. 3D打印机的分类和工作原理
3D打印机的类别根据打印原理的不同可以分为熔融沉积式（FDM）、电子束自由成形制造（EBF）、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔化成型（EBM）、选择性激光熔化成型（SLM）、选择性热烧结（SHS）、选择性激光烧结（SLS）、石膏3D打印（PP）、分层实体制造（LOM）、立体平板印刷（SLA）、数字光处理（DLP）等多种类型。
3D打印的核心技术主要有选择性激光烧结、直接金属激光烧结、熔融沉积成型、立体平版印刷、数字光处理、熔丝制造、电子束熔化成型、选择性热烧结、粉末层喷头三维打印等等，目前主流的商业化3D打印机一般用熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技术。其工作原理是将加工成丝状的热熔性材料（ABS、PLA、蜡等），经过送丝机构送进热熔喷嘴，在喷嘴内丝状材料被加热熔融，同时喷头沿零件层片轮廓和填充轨迹运动，并将熔融的材料挤出，使其沉积在指定的位置后凝固成型，与前一层已经成型的材料粘结，层层堆积最终形成产品模型。
3. 各类3D打印材料的特点
3.1 适合3D打印的材料
目前，3D打印材料主要包括工程塑料、生物塑料、热固性塑料、光敏树脂、高分子凝胶、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。
工程塑料因良好的强度、耐候性和热稳定性使其应用范围较广，尤其是用以制备工业制品，因此工程塑料成为目前应用最广泛的3D打印材料，特别是以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯砜（PPSF）、聚醚醚酮（PEEK）等最为常用。ABS树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物。
生物塑料主要有聚乳酸（PLA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯（P E T G）、聚-羟基丁酸酯（PHB）、聚-羟基戊酸酯（PHBV）、聚丁二酸-丁二醇酯（P B S）、聚己内脂（P C L）等，具有良好的可生物降解性。由于生物塑料具有良好的流动性、快速凝固特性、不易堵喷嘴、环保型、生物相容性，在生物医疗制品的3D打印制造中得到很好的应用。
热固性树脂如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、芳杂环树脂等具有强度高、耐火性特点，非常适合利用3D打印的粉末激光烧结成型工艺。光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组成，由于具有良好的液体流动性和瞬间光固化特性，使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。光敏树脂因具有较快的固化速度，表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明至半透明磨砂状。尤其是光敏树脂具有低气味低刺激性成分，非常适合个人桌面3D打印系统。但是现有技术中的光敏树脂用于3D打印时还存在一些缺点，如后期固化的时间较长，易导致形变;综合性能和机械性能存在缺陷，影响应用的范围。
高分子凝胶具有良好的智能性，海藻酸钠、纤维素、动植物胶、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝胶材料用于3D打印，在一定的温度及引发剂、交联剂的作用下进行聚合后，形成特殊的网状高分子凝胶制品。
橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特征，这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。
金属材料也是3D打印材料里很重要的一个分支，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。
陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形，难以满足产品不断更新的需求。
3.2 PLA材料与ABS材料的对比分析
PLA是聚乳酸的英文简写，全写为：polylactic acid。聚乳酸也称为聚丙交酯（polylactide），属于聚酯家族。聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生，主要以玉米、木薯等为原料。聚乳酸的生產过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，因此是理想的绿色高分子材料。聚乳酸的热稳定性好，加工温度170～230℃，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前主要用于服装（内衣、外衣）、产业（建筑、农业、林业、造纸）和医疗卫生等领域。 ABS树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将PS，SAN，BS的各种性能有机地统一起来，兼具韧，硬，刚相均衡的优良力学性能。ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。ABS材料是FDM（快速成型工艺）常用的热塑性工程塑料，具有强度高、韧性好、耐冲击等优点，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材料的颜色种类很多，如象牙白、白色、黑色、深灰、红色、蓝色、玫瑰红色等，在汽车、家电、电子消费品领域有广泛的应用。
3.3 ABS材料与PLA材料区別
ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）材料与PLA（聚乳酸）材料区別：
1.打印PLA時气味为棉花糖气味，不像ABS那样刺鼻子的不良气味。
2.PLA可以在沒有加热床情况下打印大型零件模型而边角不会翘起。
3.PLA加工温度是200℃，ABS在220℃以上。
4.PLA具有较低的收缩率，即使打印较大尺寸的模型时也表现良好。
5.PLA具有较低的熔体强度，打印模型更容易塑形，表面光泽性优异，色彩艳丽。
6.PLA是晶体，ABS是一种非晶体。当你加热ABS时，会慢慢转换凝胶液体，不经过状态改变。PLA像冰冻的水一样，直接从固体到液体。因为没有相变，ABS不吸喷嘴的热能。部分PLA，使喷嘴堵塞的风险更大。
4. 结束语
在今后10 ～20年，塑料材料將仍是3D打印的主流材料。经过大量利用各类3D打印材料进行3D模型打印的实验，发现ABS和PLA两种3D打印材料都有适合的用途，两种材料的性能、特质各有优劣，打印时要根据实际情况选择所用材料。追求耐撞和耐热的话，建议选择ABS材料。追求环保和打印过程中无异味的话，建议选择PLA材料。PLA比ABS更具环保性，但在后期处理方面，ABS更具优势。
参考文献：
[1]赖月梅.基于开源型3D打印机（RepRap）打印部件的机械性能研究.科技通报，2015-8
[2]杜宇雷、孙菲菲、原光、翟世先、翟海平.3D打印材料的发展现状.徐州工程学院学报，2014-3
[3]陈庆、曾军堂、陈韦坤.3D打印塑料材料技术现状和发展趋势.新材料产业，2015-6
[4]唐通鸣、张政、邓佳文、钱素艳、李志扬、黄明宇.基于FDM的3D打印技术研究现状与发展趋势.化工新型材料.2015-6
[5]孙聚杰.3D 打印材料及研究热点.数字化技术，2013-12
[6]谭永生.FDM 快速成型技术及其应用.北京航空工艺研究所，2000-1
关键词：3D打印耗材;PLA;ABS
1. 绪论
3D打印机又称三维打印机（3DP），是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。
该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。发展3D打印产业，可以提升我国工业领域的产品开发水平，提高工业设计能力;可以生产复杂、特殊、个性化的产品，有助于攻克技术难关;可以形成新的经济增长点，促进就业。分析不同结构3D打印机和耗材的特点和性能优劣，更为清晰地了解3D打印机的工作原理，便于掌握性能和应用。认为在将来很长一段时间内，塑料材料将仍是3D打印的主流材料的结论。
2. 3D打印机的分类和工作原理
3D打印机的类别根据打印原理的不同可以分为熔融沉积式（FDM）、电子束自由成形制造（EBF）、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔化成型（EBM）、选择性激光熔化成型（SLM）、选择性热烧结（SHS）、选择性激光烧结（SLS）、石膏3D打印（PP）、分层实体制造（LOM）、立体平板印刷（SLA）、数字光处理（DLP）等多种类型。
3D打印的核心技术主要有选择性激光烧结、直接金属激光烧结、熔融沉积成型、立体平版印刷、数字光处理、熔丝制造、电子束熔化成型、选择性热烧结、粉末层喷头三维打印等等，目前主流的商业化3D打印机一般用熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技术。其工作原理是将加工成丝状的热熔性材料（ABS、PLA、蜡等），经过送丝机构送进热熔喷嘴，在喷嘴内丝状材料被加热熔融，同时喷头沿零件层片轮廓和填充轨迹运动，并将熔融的材料挤出，使其沉积在指定的位置后凝固成型，与前一层已经成型的材料粘结，层层堆积最终形成产品模型。
3. 各类3D打印材料的特点
3.1 适合3D打印的材料
目前，3D打印材料主要包括工程塑料、生物塑料、热固性塑料、光敏树脂、高分子凝胶、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等。
工程塑料因良好的强度、耐候性和热稳定性使其应用范围较广，尤其是用以制备工业制品，因此工程塑料成为目前应用最广泛的3D打印材料，特别是以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯砜（PPSF）、聚醚醚酮（PEEK）等最为常用。ABS树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物。
生物塑料主要有聚乳酸（PLA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯（P E T G）、聚-羟基丁酸酯（PHB）、聚-羟基戊酸酯（PHBV）、聚丁二酸-丁二醇酯（P B S）、聚己内脂（P C L）等，具有良好的可生物降解性。由于生物塑料具有良好的流动性、快速凝固特性、不易堵喷嘴、环保型、生物相容性，在生物医疗制品的3D打印制造中得到很好的应用。
热固性树脂如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、芳杂环树脂等具有强度高、耐火性特点，非常适合利用3D打印的粉末激光烧结成型工艺。光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组成，由于具有良好的液体流动性和瞬间光固化特性，使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。光敏树脂因具有较快的固化速度，表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明至半透明磨砂状。尤其是光敏树脂具有低气味低刺激性成分，非常适合个人桌面3D打印系统。但是现有技术中的光敏树脂用于3D打印时还存在一些缺点，如后期固化的时间较长，易导致形变;综合性能和机械性能存在缺陷，影响应用的范围。
高分子凝胶具有良好的智能性，海藻酸钠、纤维素、动植物胶、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝胶材料用于3D打印，在一定的温度及引发剂、交联剂的作用下进行聚合后，形成特殊的网状高分子凝胶制品。
橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特征，这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。
金属材料也是3D打印材料里很重要的一个分支，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。
陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形，难以满足产品不断更新的需求。
3.2 PLA材料与ABS材料的对比分析
PLA是聚乳酸的英文简写，全写为：polylactic acid。聚乳酸也称为聚丙交酯（polylactide），属于聚酯家族。聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，原料来源充分而且可以再生，主要以玉米、木薯等为原料。聚乳酸的生產过程无污染，而且产品可以生物降解，实现在自然界中的循环，因此是理想的绿色高分子材料。聚乳酸的热稳定性好，加工温度170～230℃，有好的抗溶剂性，可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、双轴拉伸，注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外，生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性，因此用途十分广泛，可用作包装材料、纤维和非织造物等，目前主要用于服装（内衣、外衣）、产业（建筑、农业、林业、造纸）和医疗卫生等领域。 ABS树脂是目前产量最大，应用最广泛的聚合物，它将PS，SAN，BS的各种性能有机地统一起来，兼具韧，硬，刚相均衡的优良力学性能。ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。ABS材料是FDM（快速成型工艺）常用的热塑性工程塑料，具有强度高、韧性好、耐冲击等优点，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材料的颜色种类很多，如象牙白、白色、黑色、深灰、红色、蓝色、玫瑰红色等，在汽车、家电、电子消费品领域有广泛的应用。
3.3 ABS材料与PLA材料区別
ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）材料与PLA（聚乳酸）材料区別：
1.打印PLA時气味为棉花糖气味，不像ABS那样刺鼻子的不良气味。
2.PLA可以在沒有加热床情况下打印大型零件模型而边角不会翘起。
3.PLA加工温度是200℃，ABS在220℃以上。
4.PLA具有较低的收缩率，即使打印较大尺寸的模型时也表现良好。
5.PLA具有较低的熔体强度，打印模型更容易塑形，表面光泽性优异，色彩艳丽。
6.PLA是晶体，ABS是一种非晶体。当你加热ABS时，会慢慢转换凝胶液体，不经过状态改变。PLA像冰冻的水一样，直接从固体到液体。因为没有相变，ABS不吸喷嘴的热能。部分PLA，使喷嘴堵塞的风险更大。
4. 结束语
在今后10 ～20年，塑料材料將仍是3D打印的主流材料。经过大量利用各类3D打印材料进行3D模型打印的实验，发现ABS和PLA两种3D打印材料都有适合的用途，两种材料的性能、特质各有优劣，打印时要根据实际情况选择所用材料。追求耐撞和耐热的话，建议选择ABS材料。追求环保和打印过程中无异味的话，建议选择PLA材料。PLA比ABS更具环保性，但在后期处理方面，ABS更具优势。
参考文献：
[1]赖月梅.基于开源型3D打印机（RepRap）打印部件的机械性能研究.科技通报，2015-8
[2]杜宇雷、孙菲菲、原光、翟世先、翟海平.3D打印材料的发展现状.徐州工程学院学报，2014-3
[3]陈庆、曾军堂、陈韦坤.3D打印塑料材料技术现状和发展趋势.新材料产业，2015-6
[4]唐通鸣、张政、邓佳文、钱素艳、李志扬、黄明宇.基于FDM的3D打印技术研究现状与发展趋势.化工新型材料.2015-6
[5]孙聚杰.3D 打印材料及研究热点.数字化技术，2013-12
[6]谭永生.FDM 快速成型技术及其应用.北京航空工艺研究所，2000-1