細絲與顆粒：選擇哪種類型的塑料進行 3D 打印？

魔猴君  知識堂   148天前

塑料無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，比如長絲、顆粒、粉末、樹脂等。

那么，長絲和顆粒它們的特點和應用是什么？它們與哪些 3D 打印工藝兼容？魔猴網將在這篇新的專門文章中和大家一起學習這些相關知識！

長絲和顆粒是目前與增材制造兼容的兩種材料形式，盡管現在有金屬和陶瓷解決方案，但我們將只關注塑料。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、模壓或擠出來制造各種塑料制品。因此，塑料顆粒是化學工業的關鍵要素。它們可用于特定機器的增材制造。長絲是通過將塑料顆粒或粉碎的塑料廢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，必須使用長絲擠出機。經過幾個冷卻階段后，長絲通過卷繞機獲得線軸，然后供 3D 打印機使用。

為了制造 3D 打印機的長絲，您需要塑料顆粒（照片來源：Capifil）

長絲和顆粒的特性和性能

塑料生產是一個巨大的市場，近年來無論是在制造、就業還是投資方面，其數字都在不斷增加。這些塑料在離開煉油廠時可以采取不同的形式：液體、粉末或顆粒。在所有情況下，它們都會被成型以生產各種零件，無論是通過模制、注射、熱成型，當然還有擠壓。如果我們首先對工業塑料顆粒感興趣，您應該知道它們在市場上數量極其眾多，并且根據其化學成分提供多種性能和特性。根據法國第n°2021-461號法令，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。

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

塑料顆粒在市場上隨處可見（圖片來源：DEKRA Industrial）

顆粒在 3D 打印中的優勢之一是它已經用于更傳統的制造技術，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，而無需經過資格階段。這是一個相當大的優勢，對于生產所謂的“優質材料”原型以及使用制造商已經認可的材料制造成品零件來說都非常受歡迎。

如果我們現在看看細絲，它們的制造過程會更長，因為它涉及將塑料顆粒轉化為能夠擠出的管子。因此，需要采取幾個步驟：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，該工具將為我們的長絲提供管狀形狀。一旦形成，長絲就在合適的浴中冷卻。然后將其放入線軸中以在 3D 打印機上使用。  

在將顆粒轉化為長絲的過程中，您應該知道添加了添加劑，這必然會改變原材料。當使用燈絲 3D 打印零件時，您將必須經歷一個額外的材料鑒定階段。在兼容塑料方面，我們會發現多種類型的聚合物，從PLA 到 ABS，包括彈性體和高性能塑料，如 PEEK 或 PEI。根據所選擇的燈絲，部件的特性會有所不同：如果我們尋求透明度，我們會選擇聚碳酸酯，而如果我們想要機械阻力，我們會選擇PEEK。  

請注意，某些塑料由于其化學成分而更難轉化為長絲：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 長絲生產工廠（照片來源：Hervé Boutet）

兼容的3D打印工藝

無論您選擇塑料顆粒還是長絲，首選的打印工藝都是擠出，更具體地說，長絲的熔融沉積(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逐層沉積在板上，形成最終物體。不同之處在于用于執行此擠壓的工具。

對于長絲，3D 打印機使用配備步進電機和齒輪的擠出機，允許長絲向前或向后移動。該喂料器的末端是一個加熱塊，顧名思義，它可以加熱材料。然后，該細絲進入直徑在 0.4 至 0.8 毫米之間的噴嘴，噴嘴移動以將細絲沉積在板上。根據您使用的材料，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器類型和打印參數。   

對于顆粒，擠出過程略有不同：3D 打印機使用料斗系統來吸收塑料球并將其推至熔融區域。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。請注意，該噴嘴可以具有不同的直徑，通常大于使用細絲的 FDM 3D 打印機上使用的直徑。最后，這種類型的擠出系統可以安裝在機械臂上，以提供更大的打印表面和靈活性

塑料顆粒的擠出系統與長絲的擠出系統不同（照片來源：Pollen AM）

使用塑料顆粒將可以獲得比使用細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，我們傾向于對大型零件進行 3D 打印顆粒，因為無需更換線材線軸，機器能夠不間斷地擠出大量顆粒。但請注意，3D 顆粒打印機無法縮回材料，這可能會在噴嘴處產生比 FDM 機器更大的塑料流量。為了中斷材料的流動，必須停止或堵塞噴嘴。因此，利用細絲 3D 打印來設計更復雜、更詳細的零件符合我們的利益。   

細絲或顆粒在3D打印中的應用

總體而言，顆粒或細絲 3D 打印的應用非常相似：原型制作、模具、成品零件，范圍很廣。但正如您所理解的，在開始其中一項之前需要考慮一些本質區別。  

在燈絲方面，由于其多功能性和市場上的可用性，它們提供了廣泛的應用。它們非常適合創建中等尺寸的零件，也適合需要一定程度的細節和精度的項目。細絲廣泛應用于快速原型制作領域，允許設計師和工程師在最終生產之前創建模型并進行多次測試以評估概念。根據相關長絲的特性，可以設計用于汽車、航空、食品、醫療行業等的零件。一些熱塑性塑料實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，在保持輕質的同時更耐用。  

由 Slicelab 設計并在 EXT 1270 Titan Pellet 3D 打印機上使用 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創建定制配方。這種多功能性為多種應用打開了大門，特別是在衛生領域，可以開發生物相容性材料來制造定制假肢和植入物。在汽車領域，顆粒用于制造儀表板元件、電纜支架、發動機蓋和機械部件等定制零件，從而加快開發過程并降低成本。它們在設計領域也很受歡迎，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計顆粒，促進循環經濟的邏輯，這是我們當今社會特別重要的概念。這些相同的回收顆粒可用于生產長絲。

最后，正如本文前面提到的，在增材制造中使用顆粒對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，在進入批量生產之前將其提交測試和認證，而無需經過額外的認證階段。對于制造商來說，這可以節省大量時間。

材料價格

長絲在市場上隨處可見，而且對于初學者來說往往更便宜。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。價格根據燈絲類型而有所不同，但一般來說，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，一些更具體的細絲，例如柔性或復合細絲，可能更昂貴，每軸 30 至 50 歐元不等。此外，如果您經常打印大型物體，耗材的成本會迅速增加。

與長絲不同，顆粒通常以數公斤袋出售，這意味著您可以一次購買大量材料。這可能意味著更高的初始投資，因為袋裝顆粒的價格可能從 50 到 100 歐元甚至更多不等，具體取決于塑料的類型和數量。從純粹的經濟角度來看，顆粒往往勝過長絲。每公斤顆粒的價格比長絲便宜，主要是由于制造后者所需的加工過程。另一方面，想要購買少量塑料顆粒的用戶可能會難以找到所需的數量。  

因此應該記住，盡管由于批量購買，顆粒的初始價格可能看起來更高，但從長遠來看，對于經常使用 3D 打印的用戶來說，它可能更有利。這當然取決于您的需求和預算。

一卷長絲仍然相對容易接近（照片來源：La Nouvelle Ecole）

市場長絲和顆粒制造商

在3D打印市場上，有眾多的線材和顆粒制造商，每個制造商都為這個不斷發展的行業做出了自己的貢獻。如前所述，細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線材，從PLA到PETG再到ABS。大型化學家對該行業做出了重大貢獻，其中一些化學家開發了自己的長絲品牌，例如巴斯夫或贏創。

在塑料顆粒方面，制造商更多是相同的化學集團——阿科瑪或沙特基礎工業公司僅舉兩例。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塑料顆粒，例如美國的re3D；其他公司則專注于顆粒和長絲生產，例如 KIMYA。

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

來源：3dnatives