干货！详解3D打印PLA塑料

干货！详解3D打印PLA塑料

PLA（聚乳酸）是目前最流行的3D打印材料之一，以其环保、易用和成本效益而广受欢迎。从食品包装到医疗应用，再到3D打印原型制作，PLA因其独特的性能和广泛的适用性而被广泛应用。本文将全面介绍PLA塑料的制造过程、优缺点、用途、材料特性、打印性能以及可持续性问题。

PLA是如何制造的？

PLA塑料的出现与植物基塑料的出现相去甚远（来源：3DPmom via MakerWorld）

虽然这个过程可能不会发生在你眼前，但了解长丝或材料的制作方法还是有好处的。与许多使用精炼原油制成的塑料不同，PLA的主要成分可以来自玉米淀粉和甘蔗等植物物质。

原料

首先，玉米等天然原料经过湿磨，分离出植物淀粉。提取后，将淀粉与酶和其他化学物质混合加热，释放出葡萄糖（D-葡萄糖），一种糖。然后，葡萄糖发酵，产生乳酸单体，聚乳酸主要由乳酸单体组成（正如您可能从名称中猜到的那样）。

其中，将乳酸转化为PLA材料的最常用方法是将乳酸缩合成丙交酯，然后使用特殊的聚合工艺，通过添加不同的催化剂和热量将分子结合在一起形成长聚合物链。

线材

出售的灯丝宽度为1.75或2.85毫米（来源：MatterHackers）

PLA加工完成后，塑料会被制成颗粒并作为原材料出售。在生产PLA长丝时，长丝制造商首先将这些PLA颗粒与其他物质混合。这些添加剂通常会增强最终产品的性能，例如热性能、颜色或强度。

然后将新混合物装入特殊的长丝挤出机，该挤出机将颗粒熔化，然后冷却成具有精确直径（通常为1.75或2.85毫米）的细丝形式。最后，将细丝塑料缠绕在线轴上，包装并运往世界各地。

当PLA用于长丝制造以外的其他环境时，其过程非常相似，只是最终成型取决于预期的最终产品。

优点缺点

PLA具有多种颜色和效果（来源：Mathieu via Printables）

PLA作为3D打印材料具有一些明显的优势，但必须认识到这种材料并不完美，也存在一些缺点。下面，我们列出了这种材料的一些优点和缺点。

优点：

• 易于打印：PLA打印起来非常方便；几乎所有3D打印机都可以打印这种材料，而且不需要加热床。与其他打印材料相比，PLA所需的温度相对较低，打印速度较快（约60毫米/秒），并且不需要外壳。
• 价格低廉：与尼龙或聚碳酸酯(PC)等其他更专业的打印材料相比，PLA价格相当便宜，因此对于预算有限的制造商来说，它是一个不错的选择。
• 颜色和选择范围广泛：PLA有多种形式，制造商几乎可以制造出您能想到的任何颜色。此外，还有复合和特殊用途的PLA长丝，例如碳纤维注入的PLA、闪光PLA，甚至有香味的PLA。
• 更环保：PLA源自可再生资源，而不是像大多数其他热塑性塑料一样源自石化产品。此外，研究表明，与传统塑料相比，PLA的生产能耗降低了65%，产生的温室气体也大大减少。
• 无毒：PLA在不受污染的情况下是无毒的，可扩大其应用范围至医疗、食品等行业。

缺点：

PLA是一种脆性材料，在打印之前就可能断裂！（来源：fleaz via Reddit）

• 易碎且相对较弱：PLA最明显的缺点是其抗弯强度低。3D打印的PLA部件明显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部件通常也不会弯曲；施加足够的力后它们会很快折断，这意味着这种材料非常脆。
• 耐高温性差：PLA不仅不是最坚固的材料，而且耐热性也不好。PLA的玻璃化转变温度较低，因此用这种材料打印的部件在高温条件下容易变形，因此PLA不是户外使用的理想材料。
• 无法生物降解：虽然许多人吹捧PLA具有生物降解性，但实际上并非如此。它在环境中自然降解的条件非常罕见。更准确地说，PLA是工业可堆肥的。

用途

PLA可用于医疗用途，例如植入物（来源：Evonik）

PLA是最受欢迎的3D打印材料，但除了3D打印之外，它还有许多用途：

• 食品包装：PLA是一种无毒且理论上食品安全的材料，由于不会污染食品，因此它是一种非常适合食品包装的塑料。例如，食品包装公司BioPak已成功使用PLA制造出食品安全的食品包装。
• 医疗：PLA的无毒成分使其在医疗保健行业中大有用武之地。PLA因其与人体的相容性而被用于组织工程。
• 原型制作：PLA原型制作通常通过3D打印完成，对于企业和个人来说，这是一种将想法变成现实的好方法。这是因为PLA打印起来非常简单、价格低廉，并且可以与任何FDM 3D打印机一起使用。
• 纺织品：PLA还用于生产纤维和其他纺织品，因为它透气性好、重量轻、与染料相容。特别是，您可能会发现它用于垫子和被子、地毯、尿布甚至服装面料的纤维填充。
• 化妆品：化妆品行业是塑料垃圾的一大来源，而PLA因其环保特性而作为包装替代品越来越受欢迎。

现在您已经了解了PLA最常用的行业，下面是生产PLA组件的几种方法：

• 3D打印：FDM 3D打印是一种非常常见的PLA部件生产方法。该材料非常易于打印，不需要高温、加热床或直接挤压装置。
• 注塑成型：注塑成型是制造热塑性塑料最流行的方法，因为它可用于生产从乐高积木到汽车内部零件（如仪表板）等各种零件。一次性PLA餐具就是使用此方法制造的。
• 热成型和吹塑：如果您曾经收到过标有PLA的一次性食品包装，那么它很可能是用这两种方法之一加工的。热成型需要一张PLA片材，加热使其软化，然后将其压在模具上，使PLA贴合其形状。吹塑是一个类似的概念，但从一根管子开始，并使用加压空气将圆柱体膨胀成瓶形模具。

材料特性

不要将PLA部件放入洗碗机（来源：DusBus via Reddit）

虽然我们已经提到了一些材料特性，例如脆性，但PLA塑料还有许多其他值得讨论的特性：

• 强度：PLA并不是一种以强度闻名的塑料（尼龙或PC才是），但PLA部件的强度更多地取决于其制造方式，而不是材料本身。例如，使用更高的填充密度和层高将产生更坚固的3D打印部件。
• 柔韧性：PLA是一种硬质塑料，这意味着与其他塑料（尤其是TPU等柔性塑料）相比，它的抗弯强度较低。此外，正如我们所提到的，PLA很脆。它通常不会弯曲，而是会折断。
• 耐高温性：PLA需要的打印温度相对较低，但这也意味着打印后其耐高温性会降低。这就是为什么我们建议不要将PLA用于户外或阳光直射下的部件，因为它们很容易变形。并且，如上所述，如果需要清洗部件，请避免使用洗碗机。
• 抗紫外线：PLA长时间暴露在紫外线下会褪色。如果与高温结合，降解速度会加快，并导致脆化。
• 耐化学性：PLA不溶于丙酮或异丙醇等溶剂，总体而言，PLA塑料是一种耐化学性且稳定的材料。但是，您仍然可以使用乙酸乙酯等溶剂和XTC3D等混合物来溶解或使PLA部件分层光滑。

打印性能

与其他打印材料相比，PLA长丝是一种易于3D打印的材料（来源：GlennovitS 3D via MakerWorld）

PLA天生就是3D打印的绝佳材料，不同于尼龙或聚碳酸酯等其他塑料，它们不易转化为增材制造。总体而言，由于一些因素，PLA具有出色的打印性能。

首先，PLA不需要加热床、外壳或直接挤压装置，因此打印这种材料所需的设备并不昂贵，有时甚至不到100美元。ABS、PETG和TPU等材料都需要其中至少一项才能制作出高质量的打印件。

其次，PLA材料随处可见，而且消费级3D打印行业发展迅速，PLA材料线材在网上随处可见。PLA材料线材价格也相当便宜，每公斤约20美元起。其他材料线材（如PETG）每公斤要多花几美元，而且可供选择的材料较少。

第三，PLA对各种打印设置的容忍度很高（在合理范围内），因此无需经过漫长的测试过程来完善切片机设置，即可轻松获得良好的打印效果。大多数默认切片机配置文件都会让您立即获得令人满意的模型，只需稍加调整即可进一步改善打印效果。相比之下，ABS、PETG和TPU都对切片机设置很敏感，因此这些材料的切片机配置文件需要进行精细调整才能产生良好的打印效果。

最后，PLA的打印速度比大多数其他材料都要快，而且由于人们对快速成型的需求，PLA因快速开发原型而广受欢迎。没有人愿意等待数天直到他们的第一个原型生产出来，因为到那时，他们可能已经转向下一个原型了！

PLA的类型

目前市场上有许多不同类型的PLA线材可供选择（来源：Jamie H.via Protopasta）

多年来，已经出现了许多独特类型的PLA长丝，为消费者提供了多种选择：

标准PLA

首先，标准PLA是3D打印行业流行的常规PLA类型，除了PLA材料的基本属性和最佳价格之外，没有什么独特或特殊的功能。

与标准选项没有太大区别，再生PLA越来越普及，而且从可信赖的制造商处购买时质量优良。

美观PLA

这就是PLA真正闪耀的地方——确实如此。作为装饰打印的绝佳选择，灯丝制造商在各种可能性方面都发挥了很大的创造力（尽管我们不能保证在强度方面有任何优势）。最常见的一种变体是丝绸PLA，它可以为部件提供超级闪亮、光滑和丝滑的表面，常用于花瓶等部件。闪光或闪亮的PLA包含非常明显的大闪光颗粒，因此您可以获得闪闪发光的打印部件。由于灯丝中含有特殊添加剂，夜光PLA会在黑暗中发光。还有双色、彩虹和渐变灯丝，可让PLA部件呈现五彩缤纷，无需上漆。如果想要独特的外观，请尝试透明或哑光PLA灯丝。

采用与美学长丝略有不同的方法，旨在模仿天然材料的复合长丝可以将3D打印提升到一个新的水平。木质PLA通常包含实际的木材颗粒，使其具有逼真的木雕外观，非常适合制作牌匾等印刷品。大理石PLA长丝是另一种流行的选择，有时（但并非总是）包含小石粒，以产生大理石般的斑点效果。

功能

“Plus”和“Pro”是线材行业的常用术语，用于描述混合了特殊添加剂以提高性能（通常指强度）的材料。如果您想打印实用的、实际使用的部件，这些部件会受到物理应力，但仍然易于打印，那么Pro PLA和PLA+是不错的选择。

为了获得更高的强度，碳纤维PLA是一种复合长丝，其中含有碳纤维颗粒，可提高PLA的强度和耐用性，同时保持其大部分易用性。

除了为提高强度而配制的长丝外，PLA变体还旨在改善其他重要的物理特性。这些包括软PLA、柔性TPU类长丝、耐热PLA和用于低强度电气项目的导电PLA。

毒性与食品安全

PLA作为纯材料是食品安全的，但污染物可能会进入裂缝中（来源：Jakub Kočívia Prush Research）

最后，讨论PLA塑料的毒性和食品安全性非常重要，因为这是使用任何材料的关键考虑因素。PLA是一种无毒材料，理论上可用于生产食品安全物品，不同于ABS等其他3D打印塑料。然而，许多其他因素也会影响PLA的食品安全性，尤其是如果它是3D打印部件。

材料无毒并不意味着可以安全地与食物接触。例如，FDM 3D打印逐层创建零件，这些层之间有微小的间隙。这些间隙可能会捕获异物，从而可能污染零件并为细菌提供良好的生存环境。

在将部件与食物接触之前，请记住PLA长丝会通过挤出机、管子、热端和喷嘴，而这些位置都有其他潜在不安全的材料与PLA接触。我们建议在尝试打印任何会与食物接触的东西之前，先查阅我们的食品安全部件打印指南。

此外，PLA长丝中经常添加增塑剂等添加剂，这可能会对长丝的食品安全产生未知（且未经测试）的影响。添加剂可能会从材料中渗出，尤其是在接触某些液体或在高温下时。这就是为什么最好坚持使用根据食品安全标准配制和制造的PLA长丝。

考虑到这一点，重要的是要记住，虽然纯PLA塑料无毒且食品安全，但其他材料和颗粒会影响成品的安全性。

可持续发展

PLA需要很长时间才能自然分解（来源：Hobby Hoarder via YouTube）

正如我们提到的，PLA塑料的原料是玉米等植物，而不是大多数其他塑料所用的有害物质，如原油。这意味着PLA在很大程度上是一种可持续材料，因为植物相对可再生。

然而，生产PLA所需的植物是重要的食物来源，有些人可能会认为，使用这些有限的农作物来制造塑料比制造食物更不符合地球的最佳利益。目前，有研究正在寻求使用农作物副产品而不是农作物本身来生产PLA。

从技术上讲，PLA也是可生物降解的，但即使在理想环境下，PLA塑料部件也需要很长时间才能降解。一项研究发现，在受控的堆肥环境中，通过加热和分解生物来加速这一过程，PLA塑料需要三个月才能分解。

PLA在自然、不受控制的条件下分解甚至需要超过三个月的时间。因此，您不能将所有旧3DBenchys扔进堆肥机或扔到地上。相反，最好尽可能将PLA送到能够回收3D打印废料的特殊设施。或者，只要您有足够的决心，您也可以自己回收PLA废料！

您还可以通过购买再生长丝来减少原始材料的消耗。近年来，回收印刷废料的方法有了很大的改进，但一些公司也从工业废料中获取回收材料。无论哪种方式，再生PLA长丝仍然可以像全新材料一样精美地打印。

本文原文来自魔猴网