PLA vs ABS ：如何选择3D打印材料？

导读：当谈到3D打印聚合物时，可能很难决定使用哪一种材料。尤其是对于使用FDM/FFF 3D 打印的初学者或爱好者来说，不知道使用哪种长丝最合适。南极熊将比较两种最流行和广泛使用的长丝，PLA与ABS。从性能到打印要求等方面，仔细研究PLA和ABS的异同，帮助打印人员更好地了解需要使用哪一种材料。



PLA 与 ABS 的特性和性能
在谈到 PLA 与 ABS 的特性时，首先要考虑的是它们是由什么制成的。虽然两者都是热塑性塑料，但它们还是有区别的。众所周知，PLA 是由玉米或甘蔗等有机来源制成的，而 ABS 与大多数标准塑料一样，是由石油制成的。更具体地说，PLA 是由来自玉米、木薯、玉米、甘蔗或甜菜浆等来源的发酵植物淀粉制成的，其中的糖被转化为乳酸，然后再聚合成聚乳酸。相比之下，ABS 由三种单体组成：丙烯腈、丁二烯和苯乙烯。丙烯腈是一种来自丙烯和氨的合成（人造）单体，丁二烯是一种石油烃，而苯乙烯是由乙苯脱氢（通过化学反应除去氢）制成的。这些材料对环境的“可持续性”有影响。


△如上图所示（图片来源：Fictiv），使用 PLA 与 ABS 3D 打印的零件在外观和性能上都存在差异。

PLA 通常被誉为更环保的材料，因为它是可生物降解的。然而，重要的是要注意，它只有在合适的条件下才能真正生物降解，而且许多城市没有合适的工具来正确降解材料。这意味着虽然有可能，但实际上只有通过工业堆肥才能真正做到真正的“环保”。另一方面，ABS 被认为是一种不可持续或非环保的材料。如前所述，它和大多数塑料一样，都是由石油制成的，这意味着它的加工过程不具有可持续性。然而，一个优点是 ABS 是可回收的，而且许多人没有意识到 PLA 的生物降解性有多么有限，所以有些初学者可能会更加确定PLA会得到适当处理而不会产生更多废物。

超越材料的根源，ABS 和 PLA 还具有另一个不同的特性——耐热性。ABS具有一定的耐热性并具有较高的玻璃化转变温度，而 PLA 能在低得多的温度下熔化，因此被认为是不具有耐热性的。这当然会影响材料的应用，后文会详细进行介绍。

如果您正在寻找一种更坚韧且具有更好机械性能的材料，南极熊推荐您使用ABS。除了耐热和具有更高的热变形外，它还比 PLA 更耐冲击、更耐用、更轻。但这两种材料具有相似的拉伸强度（但是 ABS 略低），ABS通常更适合更多的工业应用，这主要是因为其改善的延展性和不断裂的能力，以及具有更高的抗弯强度和更高的断裂前伸长率。正因为有上述多种特性，ABS甚至可以用于最终用途，这也是它在注塑成型等行业如此受欢迎的原因之一。


△PLA与ABS的特点

值得注意的是，PLA比ABS更坚固、更硬。但由于它的熔点很低，会在50摄氏度以上失去这些特性，所以在涉及较高温的环境下无法使用。然而，即使 ABS 的耐热性明显高于 PLA，但因为两者都是热塑性塑料，在紫外线和高温下都会随着时间的推移而降解。

易于打印
既然我们已经介绍了 PLA 与 ABS 的特性，下一步就是讨论 3D 打印过程本身。首先，由于两种热塑性塑料的玻璃化转变温度不同，因此打印的准备工作会有所不同。这是因为需要考虑物质发生热力学转变的温度范围。就 PLA 而言，玻璃化转变温度范围在 60 – 100oC 之间，而 ABS 则在 105 – 200oC 之间。这决定了切片机中设置的参数以及加热3D打印机并达到所需温度需要的时间。

同时，必须正确设置制造过程的变量，包括打印平台和打印头。ABS需要较高的打印床温度，约为 80-110oC，而 PLA 通常为 60oC。就挤出机而言，PLA 还需要较低的温度，特别是 180-230°C 左右，而 ABS 需要 210-250°C。

就易用性而言，众所周知，ABS 的打印比 PLA 更复杂。遇到的打印问题还与每种材料的温度和性能有关。PLA 的熔化温度低于 ABS，因此，当零件的 3D 打印过程完成时，各层固化的热变化较低。但是，由于 ABS 需要更高的温度才能熔化，因此在冷却零件时会出现更突然的变化。这种热收缩会导致零件变形。最常见的问题之一是翘曲，其中零件的末端会收缩、从托盘上脱离并变形。为避免这种现象，使用 ABS 打印时，控制温度和打印环境至关重要，必要时使用粘合剂。


△ABS 容易发生翘曲，这是与材料在温度突然变化下收缩有关的问题

两种材料的打印速度大致相同，无需针对不同材料重新调整切片机中的速度参数。PLA 通常以 60 毫米/秒的速度打印，有些用户甚至使用了更高的速度。另一方面，ABS通常在40-60 mm/s的范围内，很难达到更高的速度。

在制造过程中要记住的另一点是制造过程中产生的废物排放，因为几乎所有热塑性长丝在打印过程中都会产生有害气味和气体。当材料被加热时，它会释放出含有对健康有害的颗粒的物质。就 PLA 而言，由于它来自天然植物来源，因此不会散发出强烈的气味，因此无需担心。然而，ABS 会散发出有毒气体和难闻的气味，南极熊强烈建议在使用 ABS 时使用封闭式打印外壳和空气过滤器以防止烟雾释放到工作空间中。即便如此，建议在打印过程中持续通风，以确保烟雾不会到达我们的肺部。这与 ABS 中存在苯乙烯有关，这是一种吸入后对人体有毒的材料。

Polymaker 的营销经理 Luke Taylor 解释说：“ PLA 是一种较弱的材料，但优点是它很容易使用，而且很容易打印。用户不需要加热床，不需要高温，它的收缩率非常低，而 ABS 的收缩率非常高。一般来说，我们看到机械性能越好，就越难使用。虽然我们也可以在 PLA 中添加一些东西以使其更坚固而不改变打印适应性。“


△使用 Polymaker 的 PLA 长丝 3D 打印的数字（照片来源：Polymaker）

后期处理
大部分后处理技术都可用于这两种热塑性塑料。尽管有一些明显的差异，比如打印后零件的光洁度。PLA 部件往往具有更亮的表面，而 ABS 往往具有更哑光的表面。这两种材料也可以在打印后上漆装饰。ABS 通常比 PLA更容易后处理。首先，虽然两者都可以打磨，但由于 ABS 的耐用性，该过程更容易。PLA 也更难打磨，因为它的耐热性低，更容易熔化。

与此同时，ABS 不仅更容易使用这些基本方法进行后处理，而且如果您想要真正闪亮的表面，用 ABS 制成的零件可以用丙酮蒸气进行平滑处理。丙酮是一种无色液体，常用作塑料的溶剂。虽然它不能与 PLA 一起使用，但那些有 ABS 零件的人可以使用丙酮来进行更快的后处理和光泽饰面。还是可以用 PLA 进行类似的过程。如果您希望对由 PLA 灯丝制成的部件进行蒸汽平滑处理，THF 或四氢呋喃可用于手工抛光。


△由于丙酮平滑，这些成品部件具有光泽表面（照片来源：Zortrax）

PLA 与 ABS 的应用
在讨论 PLA 与 ABS 时，我们可以发现的另一个主要区别是每种材料使用的应用领域。PLA 是 FDM 3D 打印中使用最多的材料，主要用于创客环境。这主要是因为它易于打印，以及它易碎、脆弱且对阳光和高温敏感等特性。出于这个原因，它经常被新手用户广泛使用或用于创建装饰零件和玩具。

另一方面，ABS 是一种更工业化的材料，具有先进的特性，虽然打印难度更大，但零件的质量更好。因此，它经常用于原型、齿轮或工具的开发。简而言之，它通常在零件可能承受物理应力以及需要高机械和耐热性的情况下实施。因此，在开始增材制造过程之前，请评估两种材料之间的差异，以根据其用途制造零件。


△PLA 通常用于更多的制造商应用、装饰元素和玩具。ABS 可用于需要更高机械和耐热性的应用。

价格
在价格方面，PLA和ABS在功能上没有区别。相反，价格因制造商等因素而异。当涉及到具有封闭系统的 3D 打印机时，3D制造商是首选。这意味着可以与所述打印机一起使用的唯一灯丝是相关制造商制造或批准的。此决定通常是作为确保质量控制的一种方式，但这可能会影响价格。尽管如此，在一个封闭的系统中，ABS 和 PLA 灯丝的价格即使不相同，也将是相似的。

一般来说，我们发现 1 公斤的 PLA 和 ABS 长丝起价约为 18 美元，平均而言，基本长丝卷的价格在 20 美元左右。当然，如果您想要更高质量的灯丝或多色或专业级等特殊功能，价格会高得多。应该注意的是，由于 PLA 可能是最流行的 3D 打印灯丝，PLA 灯丝的颜色和选项往往更广泛，您会发现大多数材料或 3D 打印机制造商都在出售它。作为最受欢迎的工业塑料之一，例如被 LEGO 等制造商使用，ABS 作为原材料实际上更便宜。


△图片来源：ColorFabb


材料制造商
在增材制造市场，致力于材料开发的公司数量确实非常多。由于 FDM 3D 打印是使用最广泛的技术，无论是初学者还是工业公司，大多数制造商都开发热塑性聚合物长丝。因为 PLA 比 ABS 更受欢迎，所以报价要大得多。现在有数百种不同的品牌、颜色和混合物，虽然 ABS 灯丝也有几种品牌和颜色，但供应量比 PLA 少。至于PLA材料的制造商，可以找到专门从事长丝开发的公司，如Polymaker、ColorFabb、Filamentum、MatterHackers等。


△PLA 和 ABS 之间的比较（图片来源：3Dnatives）