干貨！詳解3D打印PLA塑料

魔猴君  知識堂   151天前

即使您是3D打印領(lǐng)域的新手，您也可能聽說過PLA線材，這是目前最流行的3D打印材料。聚乳酸，通常稱為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)，以線材（稱為長絲）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(yīng)用。我們將介紹這種塑料的制造方法、其優(yōu)缺點、用途、制造方法、特性、可持續(xù)性問題等。

一、PLA是如何制造的？

PLA塑料的出現(xiàn)與植物基塑料的出現(xiàn)相去甚遠（來源：3DPmom via MakerWorld）

雖然這個過程可能不會發(fā)生在你眼前，但了解長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（正如您可能從名稱中猜到的那樣）。

其中，將乳酸轉(zhuǎn)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，通過添加不同的催化劑和熱量將分子結(jié)合在一起形成長聚合物鏈。

線材

出售的燈絲寬度為1.75或2.85毫米（來源：MatterHackers）

PLA加工完成后，塑料會被制成顆粒并作為原材料出售。在生產(chǎn)PLA長絲時，長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軸上，包裝并運往世界各地。

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

二、優(yōu)點缺點

PLA具有多種顏色和效果（來源：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。下面，我們列出了這種材料的一些優(yōu)點和缺點。

優(yōu)點：

易于打印：PLA打印起來非常方便；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。

價格低廉：與尼龍或聚碳酸酯(PC)等其他更專業(yè)的打印材料相比，PLA價格相當(dāng)便宜，因此對于預(yù)算有限的制造商來說，它是一個不錯的選擇。

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(fù)合和特殊用途的PLA長絲，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(shù)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(tǒng)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。

無毒：PLA在不受污染的情況下是無毒的，可擴大其應(yīng)用范圍至醫(yī)療、食品等行業(yè)。

缺點：

PLA是一種脆性材料，在打印之前就可能斷裂！（來源：fleaz via Reddit）

易碎且相對較弱：PLA最明顯的缺點是其抗彎強度低。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部件通常也不會彎曲；施加足夠的力后它們會很快折斷，這意味著這種材料非常脆。

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(zhuǎn)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不是戶外使用的理想材料。

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

三、用途

PLA可用于醫(yī)療用途，例如植入物（來源：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是一種無毒且理論上食品安全的材料，由于不會污染食品，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(yī)療：PLA的無毒成分使其在醫(yī)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3D打印完成，對于企業(yè)和個人來說，這是一種將想法變成現(xiàn)實的好方法。這是因為PLA打印起來非常簡單、價格低廉，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，您可能會發(fā)現(xiàn)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源，而PLA因其環(huán)保特性而作為包裝替代品越來越受歡迎。

現(xiàn)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)從樂高積木到汽車內(nèi)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)收到過標(biāo)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。吹塑是一個類似的概念，但從一根管子開始，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。它通常不會彎曲，而是會折斷。

耐高溫性：PLA需要的打印溫度相對較低，但這也意味著打印后其耐高溫性會降低。這就是為什么我們建議不要將PLA用于戶外或陽光直射下的部件，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：PLA長時間暴露在紫外線下會褪色。如果與高溫結(jié)合，降解速度會加快，并導(dǎo)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(wěn)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長絲是一種易于3D打印的材料（來源：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(zhuǎn)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(shè)備并不昂貴，有時甚至不到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，而且消費級3D打印行業(yè)發(fā)展迅速，PLA材料線材在網(wǎng)上隨處可見。PLA材料線材價格也相當(dāng)便宜，每公斤約20美元起。其他材料線材（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(shè)置的容忍度很高（在合理范圍內(nèi)），因此無需經(jīng)過漫長的測試過程來完善切片機設(shè)置，即可輕松獲得良好的打印效果。大多數(shù)默認切片機配置文件都會讓您立即獲得令人滿意的模型，只需稍加調(diào)整即可進一步改善打印效果。相比之下，ABS、PETG和TPU都對切片機設(shè)置很敏感，因此這些材料的切片機配置文件需要進行精細調(diào)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(shù)其他材料都要快，而且由于人們對快速成型的需求，PLA因快速開發(fā)原型而廣受歡迎。沒有人愿意等待數(shù)天直到他們的第一個原型生產(chǎn)出來，因為到那時，他們可能已經(jīng)轉(zhuǎn)向下一個原型了！

六、PLA的類型

目前市場上有許多不同類型的PLA線材可供選擇（來源：Jamie H.via Protopasta）

多年來，已經(jīng)出現(xiàn)了許多獨特類型的PLA長絲，為消費者提供了多種選擇：

標(biāo)準(zhǔn)PLA

首先，標(biāo)準(zhǔn)PLA是3D打印行業(yè)流行的常規(guī)PLA類型，除了PLA材料的基本屬性和最佳價格之外，沒有什么獨特或特殊的功能。

與標(biāo)準(zhǔn)選項沒有太大區(qū)別，再生PLA越來越普及，而且從可信賴的制造商處購買時質(zhì)量優(yōu)良。

美觀PLA

這就是PLA真正閃耀的地方——確實如此。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(xiàn)五彩繽紛，無需上漆。如果想要獨特的外觀，請嘗試透明或啞光PLA燈絲。

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

功能

“Plus”和“Pro”是線材行業(yè)的常用術(shù)語，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。如果您想打印實用的、實際使用的部件，這些部件會受到物理應(yīng)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(fù)合長絲，其中含有碳纖維顆粒，可提高PLA的強度和耐用性，同時保持其大部分易用性。

除了為提高強度而配制的長絲外，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類長絲、耐熱PLA和用于低強度電氣項目的導(dǎo)電PLA。

七、毒性與食品安全

PLA作為純材料是食品安全的，但污染物可能會進入裂縫中（來源：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是一種無毒材料，理論上可用于生產(chǎn)食品安全物品，不同于ABS等其他3D打印塑料。然而，許多其他因素也會影響PLA的食品安全性，尤其是如果它是3D打印部件。

材料無毒并不意味著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長絲會通過擠出機、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長絲中經(jīng)常添加增塑劑等添加劑，這可能會對長絲的食品安全產(chǎn)生未知（且未經(jīng)測試）的影響。添加劑可能會從材料中滲出，尤其是在接觸某些液體或在高溫下時。這就是為什么最好堅持使用根據(jù)食品安全標(biāo)準(zhǔn)配制和制造的PLA長絲。

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

八、可持續(xù)發(fā)展

PLA需要很長時間才能自然分解（來源：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(shù)其他塑料所用的有害物質(zhì)，如原油。這意味著PLA在很大程度上是一種可持續(xù)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源，有些人可能會認為，使用這些有限的農(nóng)作物來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(nóng)作物副產(chǎn)品而不是農(nóng)作物本身來生產(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時間才能降解。一項研究發(fā)現(xiàn)，在受控的堆肥環(huán)境中，通過加熱和分解生物來加速這一過程，PLA塑料需要三個月才能分解。

PLA在自然、不受控制的條件下分解甚至需要超過三個月的時間。因此，您不能將所有舊3DBenchys扔進堆肥機或扔到地上。相反，最好盡可能將PLA送到能夠回收3D打印廢料的特殊設(shè)施?；蛘?，只要您有足夠的決心，您也可以自己回收PLA廢料！

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

編譯整理：ALL3DP