傳統(tǒng)上，柔性/彈性材料3D打印比剛性材料的 3D 打印更復(fù)雜，但隨著3D打印機(jī)制造商在硬件開發(fā)和材料科學(xué)方面取得進(jìn)步，它變得越來越普遍。3D打印柔性部件的可能性幾乎是無限的——我們?nèi)粘Ｉ畹膸缀趺總€(gè)部分都需要柔性材料，而3D打印可以在這些應(yīng)用中為定制和優(yōu)化開辟新的機(jī)會(huì)。
主要的塑料3D打印技術(shù)，熔融沉積成型（FDM），樹脂3D打印，選擇性激光燒結(jié)（SLS），并且每種技術(shù)都提供靈活的3D打印材料。由于這些技術(shù)的固有差異，其中一些材料可能比其他材料更適合某些應(yīng)用。
在下面的文章中，我們將介紹各種類型的柔性 3D 打印機(jī)、柔性 3D 打印材料（包括柔性長絲、樹脂和粉末），以及每種材料的優(yōu)缺點(diǎn)。
比較：靈活的 3D 打印工藝
| FDM系列 |
SLA系列 |
SLS系列 |
|
| 價(jià)格 |
?$ |
?$$ |
?$$$ |
可用材料 |
?TPE、TPU、TPA、TPC |
?柔性樹脂、生物相容性樹脂、真有機(jī)硅 |
?TPU，尼龍 11 |
邵氏硬度 |
?40-95A |
?40-90A |
?90-95A |
優(yōu)勢 |
?快速、便宜 |
?高質(zhì)量的表面光潔度，專用的柔性樹脂，可提供生物相容性 |
?無支撐打印、復(fù)雜形狀、熟悉的柔性粉末，具有可識(shí)別的材料特性，皮膚安全材料 |
缺點(diǎn) |
?層線，低質(zhì)量零件 |
?后處理更復(fù)雜，零件尺寸有限 |
?更難在材料之間切換，通常需要更多的基礎(chǔ)設(shè)施（功率和空間），更粗糙的表面紋理 |
適用于 |
?快速原型制作 |
?功能原型、夾具、固定裝置 |
?小批量生產(chǎn)、功能測試、最終用途商品 |
FDM 3D 打印與柔性長絲
FDM 3D打印，其中噴嘴熔化硬塑料長絲線軸并通過噴嘴擠出以逐層構(gòu)建形狀，由于其低廉的入門級(jí)價(jià)格和易于掌握的技術(shù)，可能是最著名的3D打印類型。有許多不同類型的 FDM 材料，以及幾種柔性 3D 打印機(jī)線材可供選擇。
用于 FDM 3D 打印機(jī)的柔性燈絲適用于阻尼器、執(zhí)行器或臂端工具、軟外殼和可拉伸外殼的早期原型。
使用柔性長絲進(jìn)行 3D 打印的優(yōu)缺點(diǎn)
使用柔性長絲進(jìn)行 FDM 3D 打印的好處是，您可以輕松、低成本地生產(chǎn)一次性或定制的柔性零件或柔性原型。柔性3D打印零件具有良好的彈性、抗沖擊性、振動(dòng)或減震性以及伸長率。這些特性使FDM 3D打印柔性長絲成為阻尼器、執(zhí)行器或臂端工具、軟外殼和可拉伸外殼的早期原型的理想選擇。
然而，由于柔性長絲即使在擠出過程中處于熔融狀態(tài)時(shí)也保留了其中一些彈性特性，因此在FDM 3D打印柔性材料時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)打印質(zhì)量問題。懸垂和橋架等設(shè)計(jì)特征通常會(huì)導(dǎo)致穿線、表面光潔度不均勻、擠出機(jī)堵塞和機(jī)械性能差等問題。由于 FDM 3D 打印部件在 Z 軸方向上不是化學(xué)各向同性的，因此在伸長過程中層可能會(huì)分離。如果零件的目的是拉伸和反彈，則這種分離將導(dǎo)致零件故障。
此外，任何抖動(dòng)或意外偏離擠出機(jī)的編程路徑都會(huì)對(duì)柔性長絲的固定方式產(chǎn)生負(fù)面影響——這些柔性長絲比剛性長絲更容易附著力差，因此用戶應(yīng)注意打印機(jī)和擠出機(jī)必須保持完全穩(wěn)定。噴嘴和擠出機(jī)應(yīng)非常緩慢地移動(dòng)，以使柔性長絲有足夠的時(shí)間擠出和凝固。
柔性耗材和 FDM 3D 打印機(jī)兼容性
大多數(shù) FDM 3D 打印機(jī)制造商都提供某種類型的柔性線材，包括最受歡迎的品牌，例如 Makerbot、Ultimaker、Creality 和 Prusa。對(duì)于靈活的 FDM 3D 打印，打印機(jī)必須能夠?qū)⒋蛴〈布訜岬?60°C，將擠出機(jī)加熱到 225 °C 左右。 進(jìn)一步縮小柔性長絲 3D 打印機(jī)搜索范圍的一些最佳實(shí)踐是尋找?guī)в兄苯域?qū)動(dòng)擠出機(jī)以最大限度地減少穿線、可控進(jìn)給率以便您可以修改柔性長絲擠出速度的打印機(jī)，以及冷卻風(fēng)扇。
流行的柔性長絲
柔性 3D 打印長絲都可以歸類為熱塑性彈性體 （TPE），因?yàn)樗鼈儠?huì)因受熱而改變并顯示彈性體特性，盡管 TPE 也可以指特定類型的長絲。五種最常見的柔性3D打印線材是：
TPU（熱塑性聚氨酯）：TPU是一種極為常見的柔性長絲。它很堅(jiān)固，可以承受使用過程中的沖擊和一般磨損，并且可以有各種顏色。許多看似橡膠的產(chǎn)品實(shí)際上是由TPU制成的。TPU 的剛性略高于其他熱塑性彈性體，因此是最容易打印的柔性 3D 打印線材，因?yàn)樗€或滲出的可能性較小。使用柔性 TPU 長絲的 FDM 3D 打印有助于早期原型制作，但對(duì)于功能原型、最終用途零件、工具或夾具和固定裝置，其各向異性質(zhì)量可能導(dǎo)致性能較差。
TPC（熱塑性共聚酯）：TPC 是一種柔性 3D 打印長絲，具有出色的熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)性，但柔韌性不如其他 TPE。它融合了剛性 PLA 材料和柔性 TPU 材料的優(yōu)點(diǎn)。TPC 部件的一些常見示例是保險(xiǎn)杠、柔性空氣管道以及用于防止壓縮或沖擊的較軟外殼、蓋子和外殼。使用 TPC 打印時(shí)，請(qǐng)務(wù)必在裝入打印機(jī)之前將材料加熱到環(huán)境溫度，使用直驅(qū)擠出機(jī)，并確保擠出機(jī)的溫度能力約為 230 °C。
TPA（熱塑性聚酰胺）：TPA是TPE和柔性尼龍的化學(xué)共聚物，光滑且具有高度柔韌性。兩種眾所周知的柔性 3D 打印材料的這種組合導(dǎo)致了光滑、柔軟和柔韌的燈絲。TPA可以承受反復(fù)的沖擊或壓力，并且非常耐用。需要反復(fù)扭曲、彎曲或拉長的零件可以在 TPA 中打印——這些特性使 TPA 成為功能原型、可穿戴設(shè)備和工程組件的理想選擇。大多數(shù)TPA長絲的肖氏硬度約為80A，這類似于您通常認(rèn)為的橡膠。
TPE（熱塑性彈性體）：如上所述，TPE可以指整個(gè)彈性熱塑性塑料組，也可以指特定材料。TPE 長絲非常有彈性和柔軟，并且比其更堅(jiān)硬的對(duì)應(yīng)物 TPU 更難打印。TPE柔性長絲容易滲出，或過熱而無法保持噴嘴形狀，因此應(yīng)使用可以輕松精確地控制擠出機(jī)溫度的3D打印機(jī)進(jìn)行非常緩慢的打印。TPE 柔性長絲是 3D 打印可穿戴設(shè)備（如腕帶）或消費(fèi)品（如手機(jī)殼）的良好材料選擇，這些設(shè)備可以在設(shè)備周圍拉伸。
軟PLA：軟PLA是一種柔性長絲，由有機(jī)纖維制成，經(jīng)過化學(xué)處理。它可以很容易地保持剛性形狀，但在受到壓力后會(huì)恢復(fù)到原來的形狀。對(duì)于這種剛性，它通常用于輪胎原型或橡膠零件等需要大部分時(shí)間保持其形狀和格式的物品。打印速度可能比 TPE 等材料略快，復(fù)雜幾何形狀的打印速度約為每秒 10 毫米，簡單幾何形狀的打印速度約為每秒 30 毫米。
比較用于 FDM 3D 打印的柔性長絲
| 材料 |
特性 |
邵氏硬度 |
斷裂伸長率 |
例子 |
| 聚丙烯 |
?耐用、耐化學(xué)腐蝕、堅(jiān)韌、低摩擦，在彎曲或扭曲后仍能保持形狀 |
?42 邵氏 D | ?22.8%（Z軸） | ?Ultimaker 聚丙烯 |
| TPU |
?耐磨損、橡膠般的柔韌性、耐化學(xué)腐蝕 | ?48 邵氏 D | ?82 % （Z軸） | ?Ultimaker TPU 95A 系列 |
| TPC |
?高彈性、抗紫外線和耐化學(xué)性 |
?34 邵氏 D | ?350 % - 390 % | ?阿尼特爾 2045 |
| TPE |
?經(jīng)久耐用、耐疲勞、重量輕、耐寒、易于打印 | ?92-95 邵氏 A | ?400 % | ?阿科瑪3DXFLEX? |
使用柔性材料進(jìn)行樹脂3D打印
樹脂 3D 打印，例如立體光固化成型 （SLA） 3D 打印機(jī)，使用激光或其他光源一次固化一層塑料液槽，并為柔性 3D 打印材料提供了多種選擇。
樹脂 3D 打印機(jī)制造商大多生產(chǎn)自己的材料，因此它們不像 FDM 3D 打印柔性長絲那樣容易識(shí)別和分組。然而，它們都具有相似的特性和印刷注意事項(xiàng)，可用于許多行業(yè)的廣泛應(yīng)用。
柔性樹脂的特性：優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
Formlabs 的 Elastic 50A Resin 是一種柔性材料，非常適合打印動(dòng)脈或心臟組織模型
Formlabs Silicone 40A Resin 非常適合打印需要反復(fù)或長時(shí)間壓縮、彎曲或彎曲的物體
有數(shù)百種樹脂可供選擇，由制造商專門為不同的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它們的范圍從與工業(yè)模制硅膠非常相似的軟硬度材料到更接近模制橡膠的硬度計(jì)材料。
由于樹脂打印機(jī)使用光源固化液態(tài)塑料，因此這些層在各個(gè)方向上都以化學(xué)方式相互粘合，這意味著零件具有各向同性的機(jī)械性能，并且不像FDM零件那樣容易沿特定軸剪切。這意味著用柔性樹脂打印的樹脂 3D 打印部件具有防水性和氣密性，可用于水下機(jī)器人應(yīng)用、電量計(jì)應(yīng)用和其他需要打印復(fù)雜管道等部件的情況中的密封件和墊圈。
該工藝還有助于實(shí)現(xiàn)光滑的表面光潔度、很少或幾乎看不見的層線以及高度的準(zhǔn)確度和精度。柔性 3D 打印樹脂非常適合功能原型、橋梁生產(chǎn)或定制的最終用途產(chǎn)品以及需要極嚴(yán)格公差的夾具、固定裝置和工具部件等應(yīng)用。
使用柔性樹脂進(jìn)行 3D 打印的一個(gè)缺點(diǎn)是工作流程有時(shí)會(huì)很混亂，因?yàn)槟谔幚順渲簯B(tài)桶。打印后必須用異丙醇清洗零件，以去除零件表面多余的樹脂。零件還必須打印有支撐結(jié)構(gòu)，以創(chuàng)建復(fù)雜的懸垂特征。像 Formlabs 這樣的公司已經(jīng)采取措施簡化工作流程，并創(chuàng)建了后處理機(jī)器，如 Form Cure/Form Cure L 和 Form Wash/Form Wash L。
用于柔性樹脂的 3D 打印機(jī)
由于樹脂 3D 打印機(jī)的類型、價(jià)格、尺寸和功能范圍非常廣泛，因此最簡單的方法是先選擇材料屬性，然后選擇與該打印機(jī)兼容的 3D 打印機(jī)。許多樹脂 3D 打印機(jī)制造商僅提供幾種不同的柔性 3D 打印樹脂，但只有 Formlabs 將柔性 3D 打印與生物相容性相結(jié)合，并為生物相容性柔性 3D 打印部件提供經(jīng)過認(rèn)證的工作流程。
對(duì)于大多數(shù) 3D 打印柔性材料（如 Formlabs?Durable Resin），3D 打印部件在機(jī)械性能方面與聚丙烯等熟悉的柔性材料非常相似。在其他情況下，3D 打印材料實(shí)際上在化學(xué)性質(zhì)上完全相同，就像 Formlabs?Silicone 40A Resin?一樣。
比較 Formlabs Elastic 和 Flexible Resins
彈性 50A 樹脂是一種柔軟的材料，適用于通常使用硅膠生產(chǎn)的零件的原型制作。這種 50A 邵氏材料非常適合彎曲、拉伸、壓縮和保持重復(fù)循環(huán)而不會(huì)撕裂并快速彈回原始形狀的零件。選擇 Elastic 50A Resin 用于可穿戴設(shè)備（帶子）、可拉伸外殼和外殼、可壓縮按鈕或醫(yī)療保健中的軟組織解剖模型等應(yīng)用。
柔性 80A 樹脂是一種堅(jiān)硬的柔軟觸感材料，具有 80A 邵氏硬度計(jì)，可模擬硬質(zhì)有機(jī)硅以及橡膠或 TPU 的柔韌性。柔性 80A 樹脂在柔軟度和強(qiáng)度之間取得平衡，可以承受彎曲、彎曲和壓縮，即使經(jīng)過反復(fù)循環(huán)也是如此。它非常適合原型設(shè)計(jì)應(yīng)用，如手柄、把手、包覆成型、緩沖、阻尼、減震、密封件、墊圈和面罩，或醫(yī)療保健中的軟骨、肌腱和韌帶解剖模型。
雖然略高于硅膠材料的硬度范圍，但 Rebound Resin?是一種 86A 邵氏彈性 3D 打印材料，為最終用途應(yīng)用提供獨(dú)特的性能。Rebound Resin 的撕裂強(qiáng)度是市場上其他生產(chǎn)級(jí)彈性材料的五倍，拉伸強(qiáng)度是其三倍，伸長率是市場上其他生產(chǎn)級(jí)彈性材料的兩倍，非常適合 3D 打印彈性、彈性部件。Rebound Resin 的高伸長率使其非常適合手柄和握把等觸感有彈性的部件。它足夠堅(jiān)固，可以承受持續(xù)的壓縮或張力，非常適合制造經(jīng)久耐用的復(fù)雜墊圈和密封件。
硅膠 40A 樹脂部件具有 40A 邵氏硬度、230% 斷裂伸長率和 12 kN/m 撕裂強(qiáng)度，非常適合需要柔韌性和耐用性的應(yīng)用，即使通過反復(fù)拉伸、彎曲或壓縮也是如此。由硅膠 40A 樹脂制成的零件具有 34% 的回彈回彈性、出色的耐化學(xué)性和耐熱性（-25°C 至 125°C），并且可以具有小至 0.3 毫米的精細(xì)特征和復(fù)雜的形狀，這是傳統(tǒng)制造方法難以實(shí)現(xiàn)的。
| 材料 | 邵氏硬度 | 斷裂伸長率 | 適用于： |
|---|---|---|---|
| Formlabs Elastic 50A 樹脂 | 50安培 | 160 % | 可穿戴設(shè)備、可拉伸外殼或外殼、軟組織模型的原型設(shè)計(jì) |
| Formlabs Flexible 80A 樹脂 | 80安培 | 120 % | 夾具、手柄、模具、墊圈或軟骨和韌帶模型的原型制作 |
| Formlabs Silicone 40A 樹脂 | 40安培 | 230 % | 可穿戴設(shè)備、墊圈、外殼、外殼或軟組織模型的最終用途生產(chǎn) |
| Formlabs BioMed Flex 80A 樹脂 | 80安培 | 137 克 | 靈活且具有生物相容性的應(yīng)用，例如研究或?qū)嵺`軟骨或韌帶的操作模型、醫(yī)療器械原型制作和橡膠類零件的制造 |
| Formlabs BioMed Elastic 50A 樹脂 | 50安培 | 150 % | 靈活和生物相容性應(yīng)用，例如軟組織的研究或?qū)嵺`操作模式、醫(yī)療器械原型制作和類硅膠部件的制造 |
| Formlabs 回彈樹脂 | 86安培 | 300 % | 特定應(yīng)用，中底鞋原型 |
SLS 3D 打印與柔性粉末
選擇性激光燒結(jié)（SLS）是指激光逐層熔化粉末顆粒的粉末床熔融3D打印工藝。未使用的材料在打印過程中支撐零件，因此您可以創(chuàng)建復(fù)雜的互連設(shè)計(jì)，而無需支撐結(jié)構(gòu)。材料特性由所用粉末顆粒的類型決定。
Formlabs 的 Fuse 系列 SLS 生態(tài)系統(tǒng)包含一系列 SLS 粉末，專為在 Fuse 1+ 30W SLS 打印機(jī)上實(shí)現(xiàn)最佳效果而設(shè)計(jì)，但基于工程和制造行業(yè)常見的常見材料，例如尼龍或玻璃填充尼龍。這些材料通常具有一定的柔韌性，具體取決于零件壁的厚度;由于粉末床的自支撐特性，薄壁可以在 SLS 打印機(jī)上很好地打印，因此在打印成大塊狀形狀時(shí)可能看起來剛性和僵硬的材料在打印成薄形狀時(shí)可能具有柔韌性。
柔性 SLS 粉末概述
FDM 用戶熟悉的許多材料因其靈活性而在一些 SLS 系統(tǒng)上可用。TPA、TPC、TPE 和 TPU 等材料都以粉末形式提供，但并非適用于每個(gè)制造商的系統(tǒng)。除了這些彈性粉末外，如果將尼龍 11 等更堅(jiān)硬的材料打印成薄的形狀，它們通常會(huì)彎曲并恢復(fù)到原來的形狀。
Fuse 系列采用?TPU 90A 粉末印刷的晶格結(jié)構(gòu)
Fuse 系列上印有尼龍 11 粉末的柔性眼鏡架
鞋底在 Fuse 系列上以?TPU 90A 粉末印刷
使用 SLS 粉末打印柔性、堅(jiān)固和幾何形狀復(fù)雜的零件具有許多優(yōu)勢：
1、粉末床的自支撐特性使得在沒有支撐的情況下打印零件成為可能，從而實(shí)現(xiàn)更快的后處理，并有可能打印出使用 SLA、DLP 或 FDM 技術(shù)難以打印的形狀。
2、Formlabs TPU 90A 粉末等柔性 SLS 粉末堅(jiān)固、柔韌且極其耐用，為汽車、航空航天或醫(yī)療設(shè)備制造等行業(yè)的最終用途消費(fèi)品或工業(yè)級(jí)零件開辟了可能性。
3、SLS 創(chuàng)建的零件在層內(nèi)以機(jī)械方式相互粘合，因此柔性 SLS 零件不會(huì)沿層線撕裂。
4、像 Fuse 系列這樣的 SLS 生態(tài)系統(tǒng)可以回收粉末，從而提高效率并降低每個(gè)零件的成本。
然而，SLS 3D打印的局限性也延伸到使用柔性粉末進(jìn)行打印。
1、當(dāng)需要大批量生產(chǎn)時(shí)，柔性 SLS 粉末的單個(gè)零件成本高于傳統(tǒng)制造的橡膠或硅膠材料。
2、3D打印機(jī)在實(shí)現(xiàn)非常低的肖氏硬度材料方面的能力受到更多限制，因此彈性范圍比傳統(tǒng)制造要小。
3、多余的粉末需要清除。
靈活的 SLS 材料：硬件和工作流程注意事項(xiàng)
大多數(shù) SLS 打印機(jī)制造商都提供與其至少一種型號(hào)的 SLS 技術(shù)兼容的柔性材料。然而，并非所有制造商都提供在材料之間切換的能力，或提供這樣做的工作流程注意事項(xiàng)。由于市場上的許多 SLS 粉末都是某種尼龍的版本，因此通?？梢栽谶@些粉末之間切換，但不建議這樣做。然而，在尼龍類型和TPU粉末之間切換通常是不可能的。
Formlabs Fuse 1+ 30W 工作流程允許在對(duì) Fuse 系列打印機(jī)和隨附的 Sift 后處理單元進(jìn)行徹底清潔后，在尼龍粉末和 TPU 90A 粉末之間切換。嘗試新的 SLS 粉末不一定是不可能或過于昂貴的 - 使用 Fuse 系列和 Fuse Sift，用戶可以嘗試使用靈活的 SLS 粉末進(jìn)行打印，而無需購買全新的生態(tài)系統(tǒng)。
比較 Formlabs Flexible SLS Powders
| 材料 | 邵氏硬度 | 斷裂伸長率 | 適用于： |
|---|---|---|---|
| Formlabs TPU 90A 粉末 | 90安培 | 可穿戴設(shè)備、矯形器、假肢、墊圈、密封件、馬克、皮帶、塞子、管子、襯墊、阻尼器 | |
| Formlabs 尼龍 11 粉末 | 不適用 | 40 % | 薄壁消費(fèi)品、汽車零部件 |
靈活的3D打印結(jié)論
增材制造的優(yōu)勢之一是能夠?yàn)槟奶囟☉?yīng)用選擇材料——有許多不同的長絲、樹脂和粉末可供選擇。對(duì)于性能類似于傳統(tǒng)制造的橡膠、有機(jī)硅或熱塑性彈性體的柔性 3D 打印部件，有多種系統(tǒng)可供選擇。
Formlabs SLA 生態(tài)系統(tǒng)將可靠的硬件與專為目標(biāo)應(yīng)用和行業(yè)開發(fā)的專用先進(jìn)材料相結(jié)合，使柔性樹脂 3D 打印變得簡單直觀。Form Wash 或 Form Wash L 和 Form Cure 或 Form Cure L 可以干凈簡單地處理后處理步驟，使柔性樹脂 3D 打印變得簡單明了。Form 3/B/+?和?Form 3L/3BL?生態(tài)系統(tǒng)提供多種柔性材料，包括可在醫(yī)療保健和醫(yī)療器械制造中實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用的生物相容性材料。
SLS 3D 打印技術(shù)非常適合功能原型制作和生產(chǎn)工作流程。然而，在?Fuse 系列之前，無論是中小型企業(yè)還是擴(kuò)展 SLS 生態(tài)系統(tǒng)，都幾乎沒有可用的選擇。憑借專為柔性橡膠類打印而設(shè)計(jì)的材料（如 TPU 90A 粉末）以及可設(shè)計(jì)為柔性粉末（如尼龍 11 粉末），SLS 3D 打印柔性部件有多種選擇。
柔性 3D 打印部件為新行業(yè)帶來了可能性，無論它們是用柔性長絲、樹脂還是粉末打印。3D 打印可以幫助工程師、設(shè)計(jì)師、制造商和醫(yī)療保健專業(yè)人員降低成本、改進(jìn)產(chǎn)品并提高工作流程效率。對(duì)于迄今為止無法實(shí)現(xiàn)的零件，例如柔性墊圈、密封件、保險(xiǎn)杠、管道等，F(xiàn)use 系列 SLS 或 Form 系列 SLA 打印機(jī)等系統(tǒng)現(xiàn)在是可行的解決方案。索取靈活的 SLA 或 SLS 打印部件樣品，或與專家討論您的應(yīng)用和要求。
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