PLA vs ABS ：如何選擇3D打印材料？

導(dǎo)讀：當(dāng)談到3D打印聚合物時，可能很難決定使用哪一種材料。尤其是對于使用FDM/FFF 3D 打印的初學(xué)者或愛好者來說，不知道使用哪種長絲最合適。南極熊將比較兩種最流行和廣泛使用的長絲，PLA與ABS。從性能到打印要求等方面，仔細研究PLA和ABS的異同，幫助打印人員更好地了解需要使用哪一種材料。



PLA 與 ABS 的特性和性能
在談到 PLA 與 ABS 的特性時，首先要考慮的是它們是由什么制成的。雖然兩者都是熱塑性塑料，但它們還是有區(qū)別的。眾所周知，PLA 是由玉米或甘蔗等有機來源制成的，而 ABS 與大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)塑料一樣，是由石油制成的。更具體地說，PLA 是由來自玉米、木薯、玉米、甘蔗或甜菜漿等來源的發(fā)酵植物淀粉制成的，其中的糖被轉(zhuǎn)化為乳酸，然后再聚合成聚乳酸。相比之下，ABS 由三種單體組成：丙烯腈、丁二烯和苯乙烯。丙烯腈是一種來自丙烯和氨的合成（人造）單體，丁二烯是一種石油烴，而苯乙烯是由乙苯脫氫（通過化學(xué)反應(yīng)除去氫）制成的。這些材料對環(huán)境的“可持續(xù)性”有影響。


△如上圖所示（圖片來源：Fictiv），使用 PLA 與 ABS 3D 打印的零件在外觀和性能上都存在差異。

PLA 通常被譽為更環(huán)保的材料，因為它是可生物降解的。然而，重要的是要注意，它只有在合適的條件下才能真正生物降解，而且許多城市沒有合適的工具來正確降解材料。這意味著雖然有可能，但實際上只有通過工業(yè)堆肥才能真正做到真正的“環(huán)�！�。另一方面，ABS 被認(rèn)為是一種不可持續(xù)或非環(huán)保的材料。如前所述，它和大多數(shù)塑料一樣，都是由石油制成的，這意味著它的加工過程不具有可持續(xù)性。然而，一個優(yōu)點是 ABS 是可回收的，而且許多人沒有意識到 PLA 的生物降解性有多么有限，所以有些初學(xué)者可能會更加確定PLA會得到適當(dāng)處理而不會產(chǎn)生更多廢物。

超越材料的根源，ABS 和 PLA 還具有另一個不同的特性——耐熱性。ABS具有一定的耐熱性并具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，而 PLA 能在低得多的溫度下熔化，因此被認(rèn)為是不具有耐熱性的。這當(dāng)然會影響材料的應(yīng)用，后文會詳細進行介紹。

如果您正在尋找一種更堅韌且具有更好機械性能的材料，南極熊推薦您使用ABS。除了耐熱和具有更高的熱變形外，它還比 PLA 更耐沖擊、更耐用、更輕。但這兩種材料具有相似的拉伸強度（但是 ABS 略低），ABS通常更適合更多的工業(yè)應(yīng)用，這主要是因為其改善的延展性和不斷裂的能力，以及具有更高的抗彎強度和更高的斷裂前伸長率。正因為有上述多種特性，ABS甚至可以用于最終用途，這也是它在注塑成型等行業(yè)如此受歡迎的原因之一。


△PLA與ABS的特點

值得注意的是，PLA比ABS更堅固、更硬。但由于它的熔點很低，會在50攝氏度以上失去這些特性，所以在涉及較高溫的環(huán)境下無法使用。然而，即使 ABS 的耐熱性明顯高于 PLA，但因為兩者都是熱塑性塑料，在紫外線和高溫下都會隨著時間的推移而降解。

易于打印
既然我們已經(jīng)介紹了 PLA 與 ABS 的特性，下一步就是討論 3D 打印過程本身。首先，由于兩種熱塑性塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不同，因此打印的準(zhǔn)備工作會有所不同。這是因為需要考慮物質(zhì)發(fā)生熱力學(xué)轉(zhuǎn)變的溫度范圍。就 PLA 而言，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍在 60 – 100oC 之間，而 ABS 則在 105 – 200oC 之間。這決定了切片機中設(shè)置的參數(shù)以及加熱3D打印機并達到所需溫度需要的時間。

同時，必須正確設(shè)置制造過程的變量，包括打印平臺和打印頭。ABS需要較高的打印床溫度，約為 80-110oC，而 PLA 通常為 60oC。就擠出機而言，PLA 還需要較低的溫度，特別是 180-230°C 左右，而 ABS 需要 210-250°C。

就易用性而言，眾所周知，ABS 的打印比 PLA 更復(fù)雜。遇到的打印問題還與每種材料的溫度和性能有關(guān)。PLA 的熔化溫度低于 ABS，因此，當(dāng)零件的 3D 打印過程完成時，各層固化的熱變化較低。但是，由于 ABS 需要更高的溫度才能熔化，因此在冷卻零件時會出現(xiàn)更突然的變化。這種熱收縮會導(dǎo)致零件變形。最常見的問題之一是翹曲，其中零件的末端會收縮、從托盤上脫離并變形。為避免這種現(xiàn)象，使用 ABS 打印時，控制溫度和打印環(huán)境至關(guān)重要，必要時使用粘合劑。


△ABS 容易發(fā)生翹曲，這是與材料在溫度突然變化下收縮有關(guān)的問題

兩種材料的打印速度大致相同，無需針對不同材料重新調(diào)整切片機中的速度參數(shù)。PLA 通常以 60 毫米/秒的速度打印，有些用戶甚至使用了更高的速度。另一方面，ABS通常在40-60 mm/s的范圍內(nèi)，很難達到更高的速度。

在制造過程中要記住的另一點是制造過程中產(chǎn)生的廢物排放，因為幾乎所有熱塑性長絲在打印過程中都會產(chǎn)生有害氣味和氣體。當(dāng)材料被加熱時，它會釋放出含有對健康有害的顆粒的物質(zhì)。就 PLA 而言，由于它來自天然植物來源，因此不會散發(fā)出強烈的氣味，因此無需擔(dān)心。然而，ABS 會散發(fā)出有毒氣體和難聞的氣味，南極熊強烈建議在使用 ABS 時使用封閉式打印外殼和空氣過濾器以防止煙霧釋放到工作空間中。即便如此，建議在打印過程中持續(xù)通風(fēng)，以確保煙霧不會到達我們的肺部。這與 ABS 中存在苯乙烯有關(guān)，這是一種吸入后對人體有毒的材料。

Polymaker 的營銷經(jīng)理 Luke Taylor 解釋說：“ PLA 是一種較弱的材料，但優(yōu)點是它很容易使用，而且很容易打印。用戶不需要加熱床，不需要高溫，它的收縮率非常低，而 ABS 的收縮率非常高。一般來說，我們看到機械性能越好，就越難使用。雖然我們也可以在 PLA 中添加一些東西以使其更堅固而不改變打印適應(yīng)性。“


△使用 Polymaker 的 PLA 長絲 3D 打印的數(shù)字（照片來源：Polymaker）

后期處理
大部分后處理技術(shù)都可用于這兩種熱塑性塑料。盡管有一些明顯的差異，比如打印后零件的光潔度。PLA 部件往往具有更亮的表面，而 ABS 往往具有更啞光的表面。這兩種材料也可以在打印后上漆裝飾。ABS 通常比 PLA更容易后處理。首先，雖然兩者都可以打磨，但由于 ABS 的耐用性，該過程更容易。PLA 也更難打磨，因為它的耐熱性低，更容易熔化。

與此同時，ABS 不僅更容易使用這些基本方法進行后處理，而且如果您想要真正閃亮的表面，用 ABS 制成的零件可以用丙酮蒸氣進行平滑處理。丙酮是一種無色液體，常用作塑料的溶劑。雖然它不能與 PLA 一起使用，但那些有 ABS 零件的人可以使用丙酮來進行更快的后處理和光澤飾面。還是可以用 PLA 進行類似的過程。如果您希望對由 PLA 燈絲制成的部件進行蒸汽平滑處理，THF 或四氫呋喃可用于手工拋光。


△由于丙酮平滑，這些成品部件具有光澤表面（照片來源：Zortrax）

PLA 與 ABS 的應(yīng)用
在討論 PLA 與 ABS 時，我們可以發(fā)現(xiàn)的另一個主要區(qū)別是每種材料使用的應(yīng)用領(lǐng)域。PLA 是 FDM 3D 打印中使用最多的材料，主要用于創(chuàng)客環(huán)境。這主要是因為它易于打印，以及它易碎、脆弱且對陽光和高溫敏感等特性。出于這個原因，它經(jīng)常被新手用戶廣泛使用或用于創(chuàng)建裝飾零件和玩具。

另一方面，ABS 是一種更工業(yè)化的材料，具有先進的特性，雖然打印難度更大，但零件的質(zhì)量更好。因此，它經(jīng)常用于原型、齒輪或工具的開發(fā)。簡而言之，它通常在零件可能承受物理應(yīng)力以及需要高機械和耐熱性的情況下實施。因此，在開始增材制造過程之前，請評估兩種材料之間的差異，以根據(jù)其用途制造零件。


△PLA 通常用于更多的制造商應(yīng)用、裝飾元素和玩具。ABS 可用于需要更高機械和耐熱性的應(yīng)用。

價格
在價格方面，PLA和ABS在功能上沒有區(qū)別。相反，價格因制造商等因素而異。當(dāng)涉及到具有封閉系統(tǒng)的 3D 打印機時，3D制造商是首選。這意味著可以與所述打印機一起使用的唯一燈絲是相關(guān)制造商制造或批準(zhǔn)的。此決定通常是作為確保質(zhì)量控制的一種方式，但這可能會影響價格。盡管如此，在一個封閉的系統(tǒng)中，ABS 和 PLA 燈絲的價格即使不相同，也將是相似的。

一般來說，我們發(fā)現(xiàn) 1 公斤的 PLA 和 ABS 長絲起價約為 18 美元，平均而言，基本長絲卷的價格在 20 美元左右。當(dāng)然，如果您想要更高質(zhì)量的燈絲或多色或?qū)�業(yè)級等特殊功能，價格會高得多。應(yīng)該注意的是，由于 PLA 可能是最流行的 3D 打印燈絲，PLA 燈絲的顏色和選項往往更廣泛，您會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)材料或 3D 打印機制造商都在出售它。作為最受歡迎的工業(yè)塑料之一，例如被 LEGO 等制造商使用，ABS 作為原材料實際上更便宜。


△圖片來源：ColorFabb


材料制造商
在增材制造市場，致力于材料開發(fā)的公司數(shù)量確實非常多。由于 FDM 3D 打印是使用最廣泛的技術(shù)，無論是初學(xué)者還是工業(yè)公司，大多數(shù)制造商都開發(fā)熱塑性聚合物長絲。因為 PLA 比 ABS 更受歡迎，所以報價要大得多。現(xiàn)在有數(shù)百種不同的品牌、顏色和混合物，雖然 ABS 燈絲也有幾種品牌和顏色，但供應(yīng)量比 PLA 少。至于PLA材料的制造商，可以找到專門從事長絲開發(fā)的公司，如Polymaker、ColorFabb、Filamentum、MatterHackers等。


△PLA 和 ABS 之間的比較（圖片來源：3Dnatives）