最佳戶外3D打印材料

魔猴君  知識(shí)堂   186天前

您可能熟悉最堅(jiān)固、最靈活或最耐用的3D打印塑料，但什么材料最適合您的戶外使用零件或產(chǎn)品？您只需要考慮抗紫外線能力嗎？今天，魔猴網(wǎng)就和大家一起探討戶外3D打印塑料相關(guān)知識(shí)。

大多數(shù)非3D打印戶外產(chǎn)品（例如家具、花園設(shè)備和玩具）均由聚丙烯或聚乙烯(PE)制成，在游樂園游樂設(shè)施、游樂場設(shè)備和海洋結(jié)構(gòu)等應(yīng)用中，它們正在迅速取代木材。不幸的是，PE不適用于3D打印，因?yàn)樗娜埸c(diǎn)很低（遠(yuǎn)低于PLA）且層間附著力差。

無論是功能性部件還是裝飾性部件，選擇正確的材料可以顯著提高對(duì)陽光、熱、冷、化學(xué)品和潮濕等環(huán)境因素的抵抗力。讓我們探索一些專為戶外應(yīng)用量身定制的最佳3D打印聚合物材料以及幫助它們抵御天氣的屬性。

戶外所需的3D打印部件并不缺乏，例如相機(jī)支架、節(jié)日燈座和Tesla充電器底座

來源：Printables via RealPrint_200387/Ondrej_Krames_139779/Gizmotoy）

但首先，了解戶外因素如何影響聚合物會(huì)很方便。

紫外線是對(duì)塑料最具破壞性的環(huán)境因素。來自太陽的紫外線輻射通過稱為光降解的過程破壞聚合物中的化學(xué)鍵，這不僅會(huì)導(dǎo)致外觀變化，例如泛黃或泛白（“粉化”），還會(huì)降低物理性能。對(duì)塑料第二大破壞性因素是水分。我們通常認(rèn)為塑料是防水的，但不同的聚合物實(shí)際上以不同的速度吸水，導(dǎo)致難以察覺的膨脹，但隨著時(shí)間的推移，對(duì)戶外部件的強(qiáng)度和功能的損害同樣不小。

熱和冷也是需要考慮的重要因素。盡管大多數(shù)塑料即使在最熱的室外環(huán)境中也不會(huì)熔化，但它們可能軟化到足以發(fā)生機(jī)械故障，這對(duì)于支架、扣環(huán)或外殼等任何功能部件來說都是一個(gè)問題。另一個(gè)需要考慮的問題是您的部件是否會(huì)接觸任何化學(xué)品、溶劑、油等，例如泳池化學(xué)品、自行車油脂，甚至大量污染物。

由于沒有一種3D打印聚合物材料具有出色的抗紫外線、耐化學(xué)性、耐熱性和耐濕性，因此您需要選擇具有特定強(qiáng)度的材料來適合您的應(yīng)用。

讓我們來看看戶外使用的六大聚合物及其主要屬性。

各種聚合物的耐候性

在地球外部使用的3D打印產(chǎn)品，例如這些帳篷排和園藝鏟，需要具有強(qiáng)度和防潮性

（來源：Ffirstgizmo/xSXHCx的Printables）

下面我們介紹了一些用于戶外相關(guān)部件的最佳3D打印聚合物材料以及將它們列入我們列表的屬性。我們列表底部的PLA UV僅供比較參考，因?yàn)樗畈贿m合戶外：暴露在陽光下時(shí)會(huì)變色。

請(qǐng)記住，并非您購買的每根長絲都可能具有所有這些特定屬性，因?yàn)閭€(gè)別長絲制造商可以使用添加劑來改變顏色或其他可能影響材料特性的品質(zhì)，特別是在生物相容性和食品安全方面，因此請(qǐng)務(wù)必閱讀您的材料的規(guī)格表。同樣，也可能存在并且通常存在通過添加劑增強(qiáng)紫外線防護(hù)的材料版本。您會(huì)發(fā)現(xiàn)多種聚合物具有額外的紫外線防護(hù)能力。

*吸濕率是指材料吸濕行為的程度，表明材料容易膨脹的程度。它降低了塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和強(qiáng)度。最廣泛使用的測量塑料吸水率的標(biāo)準(zhǔn)是ASTM D570，它確定浸入水中24小時(shí)后吸收的水的百分比。在上表中，我們列出了按重量計(jì)算的最大吸水百分比。

*耐熱性以Tg“玻璃化轉(zhuǎn)變溫度”來衡量，這是聚合物開始從硬態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦犴g狀態(tài)的點(diǎn)。這會(huì)影響零件的結(jié)構(gòu)完整性。對(duì)于柔性TPU和半柔性PP，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是其從所需的柔性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的點(diǎn)，該溫度遠(yuǎn)低于凍結(jié)點(diǎn)。

1、PETG（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）

PETG是各種3D打印戶外項(xiàng)目的理想材料，包括花盆和戶外照明（來源：Filamentive/Mrmakerspace via Printables）

PETG因其優(yōu)異的強(qiáng)度、抗沖擊性和耐候性而成為戶外3D打印的熱門選擇。它具有良好的抗紫外線性能，因此長時(shí)間暴露在陽光下時(shí)不易泛黃或降解，但不如另一種透明材料PC那樣具有抗紫外線能力。

PETG具有良好的耐化學(xué)性，適用于經(jīng)常接觸各種元素的戶外環(huán)境。然而，作為一種熱塑性聚酯，與熱固性塑料相反，它會(huì)在高溫下變形，因此應(yīng)避免全天陽光直射，以避免變形。

有一些特殊版本的PETG增加了抗紫外線能力，例如Eolas Prints PETG抗紫外線長絲，經(jīng)過改造，使其具有更強(qiáng)的抗紫外線能力，承諾顏色至少在五年內(nèi)保持不變。代價(jià)是該版本的PETG不符合食品安全。您還可以使用Nanovia等公司的另一種變體，即玻璃纖維增強(qiáng)PETG GF UV來提高抗紫外線PETG的強(qiáng)度。

結(jié)論

PETG是戶外打印的首選材料，因?yàn)樗婢叨喾N特性、價(jià)格實(shí)惠以及可回收版本的廣泛可用性。

2、ASA（丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯）

這種戶外水槽設(shè)計(jì)應(yīng)采用耐用、抗紫外線且耐化學(xué)腐蝕的材料印刷，例如ASA（來源：Subsite_2448 via Printables）

ASA經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，可承受惡劣的戶外條件，使其成為3D打印戶外產(chǎn)品和零件的理想選擇，且不會(huì)失去機(jī)械性能或顏色。它具有高抗紫外線能力，可確保長期的顏色穩(wěn)定性并防止因長時(shí)間暴露在陽光下而變質(zhì)。

ASA還能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持其機(jī)械性能，進(jìn)一步增強(qiáng)其對(duì)全年戶外使用的產(chǎn)品的適用性，這些產(chǎn)品可能會(huì)在冬季結(jié)冰，夏季悶熱。ASA對(duì)化學(xué)品、油和溶劑具有良好的耐受性，使其適用于預(yù)期接觸各種物質(zhì)的應(yīng)用。

另外，請(qǐng)考慮提供更高機(jī)械性能的ASA共混物，例如ASA/PC和ASA/PVC。

結(jié)論：

雖然ASA是為戶外使用而設(shè)計(jì)的，并且具有很強(qiáng)的機(jī)械性能，但它不是我們首選的唯一原因是ASA在打印時(shí)會(huì)散發(fā)出潛在有害的煙霧，并且需要噴嘴溫度可達(dá)230°C左右的3D打印機(jī)。但是，如果您從魔猴網(wǎng)打印零件，ASA將是我們所有類型戶外零件的最佳選擇。

3、PA（聚酰胺）11

PA 11尼龍以其強(qiáng)度、韌性和靈活性而聞名，使其成為戶外應(yīng)用的多功能材料。它具有出色的抗沖擊性，可以承受彎曲和撓曲而不會(huì)破裂或斷裂，使其適合承受不同負(fù)載的功能部件。尼龍具有良好的耐化學(xué)性，可以承受暴露在潮濕環(huán)境中而不會(huì)明顯降解。

PA有多種變體，包括PA6和PA12，以及碳纖維PA、玻璃纖維PA和凱夫拉纖維PA。在這里，我們重點(diǎn)關(guān)注PA11，因?yàn)樗ǔ＞哂凶罴训目棺贤饩€能力，并且源自可再生植物來源（通常是蓖麻子），使其成為一種生物基聚合物。相比之下，PA 12通常由石化產(chǎn)品生產(chǎn)。

豐田賽車GR86杯上的3D打印尼龍?zhí)祭w維引擎蓋勺（來源：Stratasys）

PA11通常用于需要長時(shí)間暴露在陽光下的戶外應(yīng)用，例如汽車部件、戶外設(shè)備和建筑固定裝置。它還以其對(duì)許多常見化學(xué)品的耐受性而聞名，包括油、油脂、燃料、溶劑和堿性溶液。

如果您正在尋找專為戶外使用而設(shè)計(jì)的PA11特性，請(qǐng)尋找包含添加劑的紫外線穩(wěn)定聚酰胺11。

結(jié)論：

如果您最關(guān)心的是戶外功能部件的強(qiáng)度和耐用性，那么沒有什么比PA11更好的了，尤其是碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)版本。這種材料是我們戶外運(yùn)動(dòng)用品和具有閂鎖等功能的零件的首選材料。它也非常適合可能遇到化學(xué)物質(zhì)的零件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)排氣。

4、PC（聚碳酸酯）

聚碳酸酯是無人機(jī)零件的流行材料選擇（來源：Raise3D）

對(duì)于要求最高抗紫外線能力的應(yīng)用，聚碳酸酯通常是3D打印材料中的首選，通常比PETG更好，但通常更昂貴。它特別適合暴露在陽光下是一個(gè)重要因素的戶外應(yīng)用。廣泛用于戶外照明燈具

PC因其優(yōu)異的機(jī)械性能（例如高抗沖擊性、強(qiáng)度和韌性）以及良好的耐熱性和尺寸穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于3D打印。它是著名的玻璃替代品，因?yàn)樗峭该鞯?，抗沖擊能力是玻璃的250倍，并且可以鉆孔而不會(huì)出現(xiàn)任何破裂問題。

當(dāng)然，PC不只是清楚的。它可以呈現(xiàn)顏色并保持半透明或完全不透明。它還與其他塑料混合以提高抗沖擊性。例如，PC-ABS有黑色和白色兩種顏色，用于需要比單獨(dú)使用ABS更高強(qiáng)度的產(chǎn)品，例如無人機(jī)機(jī)身和替換零件。您還會(huì)發(fā)現(xiàn)含有碳纖維等添加劑的PC。

盡管本身具有抗紫外線能力，但一些PC材料在配方中添加了額外的紫外線穩(wěn)定劑，以進(jìn)一步增強(qiáng)其戶外耐用性。

結(jié)論：

對(duì)于堅(jiān)固且抗紫外線的戶外部件，特別是那些需要透明或半透明的部件，PC是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這種材料是我們戶外照明的首選材料。它也非常適合暴露在室外紫外線下且即使在高溫下也需要保持剛度的無人機(jī)和無人機(jī)部件。

5、TPU（熱塑性聚氨酯）

牽引輪是3D打印TPU的常見應(yīng)用（來源：ShakeAndBake的Printables）

如果您的戶外部件需要靈活，例如軟管連接器或輪子，那么TPU就是您的最佳選擇，部分原因是3D打印的替代品并不多。與TPU相比，TPE（熱塑性彈性體）具有更高的耐化學(xué)性，TPC（熱塑性共聚酯）具有更好的耐熱性，但根據(jù)您的應(yīng)用，這些細(xì)微的改進(jìn)可能不足以證明增加的成本是合理的。

TPU通常具有耐候性，但在極端溫度條件下（尤其是高溫下）可能表現(xiàn)不佳。與其他一些材料相比，它的熔點(diǎn)相對(duì)較低，這可能會(huì)導(dǎo)致3D打印零件在高溫環(huán)境中變形。不過，暫時(shí)不要放棄TPU。它是一種高度定制的聚合物，長絲制造商已針對(duì)所有類型的特定應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行了調(diào)整。例如，巴斯夫Forward AM提供Ultrafuse TPU 85A，其配方具有高耐磨性和耐磨性，具有非常好的低溫柔韌性以及對(duì)油、油脂、氧氣和臭氧的高耐受性。

結(jié)論：

盡管許多品牌的TPU會(huì)隨著時(shí)間的推移，由于紫外線輻射和吸水性的影響而在戶外降解，但仍有一些品種的配方可以耐受戶外。

6、PP（聚丙烯）

3D打印的戶外噴水器非常適合用聚丙烯打?。▉碓矗篎alcone20cne，來自Go-3Dprint）

聚丙烯(PP)是一種多功能熱塑性聚合物，因其物理強(qiáng)度和卓越的耐化學(xué)性而被廣泛使用，但當(dāng)它出現(xiàn)在戶外使用時(shí)，它的出名之處在于其低吸濕性和高度不滲透性。這使得PP非常適合需要堅(jiān)固且防水的戶外項(xiàng)目，例如噴水滅火系統(tǒng)。PP通常通過傳統(tǒng)制造（例如注塑成型）用于草坪家具，因?yàn)樗跍嘏南募颈憩F(xiàn)出韌性和柔韌性，但在寒冷的冬季會(huì)變脆。

PP的缺點(diǎn)是在抗紫外線方面不如其他聚合物。除非您的聚丙烯長絲含有紫外線阻擋添加劑，否則長時(shí)間暴露在紫外線下可能會(huì)導(dǎo)致降解。

PP的關(guān)鍵特性之一是其優(yōu)異的強(qiáng)度重量比，使其成為輕質(zhì)耐用產(chǎn)品的首選材料，例如管道、水箱和配件，因其在各種家庭和工業(yè)應(yīng)用中的耐腐蝕性和耐用性。PP通常通過傳統(tǒng)制造（例如注塑成型）用于草坪家具，因?yàn)樗跍嘏南募颈憩F(xiàn)出韌性和柔韌性，但在寒冷的冬季會(huì)變脆。

結(jié)論：

對(duì)于與水相關(guān)的3D打印項(xiàng)目，例如軟管連接器、空調(diào)通風(fēng)口和噴泉項(xiàng)目，沒有什么比PP更好的了。是的，PVC通常用于管道，您可以用它進(jìn)行3D打印，但其高毒性和3D打印過程中的危險(xiǎn)促使我們推薦使用PP。

7、PLA UV變色

iSanmate的UV變色PLA長絲在戶外時(shí)會(huì)變色（來源：iSanmate）

目前，許多制造商都提供PLA UV變色燈絲，它們具有常見的PLA特性，不適合長期戶外使用，但它的一個(gè)獨(dú)特功能是暴露在紫外線下時(shí)能夠變色，例如就像戶外的陽光一樣。

這些細(xì)絲與抗紫外線相反，實(shí)際上吸收陽光，從而引發(fā)顏色變化。當(dāng)從光線中移開時(shí)，3D打印部件將恢復(fù)其原始顏色。哪種顏色會(huì)變成哪種陽光激活顏色在長絲制造商中并不通用，因此請(qǐng)查看標(biāo)簽。例如，材料制造商R3D提供引人注目的白到藍(lán)燈絲和更微妙的黃到綠燈絲。

如果您想知道為什么普通PLA沒有出現(xiàn)在我們的戶外適合材料列表中，這主要是因?yàn)樗哪蜔嵝缘?。PLA在40°C左右時(shí)容易變形和下垂。如果您確實(shí)想在室外使用PLA，請(qǐng)尋找一種專門配制的高溫PLA。

結(jié)論：

對(duì)于旨在享受陽光的有趣3D打印項(xiàng)目（例如兒童沙灘玩具），這是一個(gè)完美的選擇。因?yàn)樗赡苤荒苣陀脦讉€(gè)季節(jié)。