干貨！詳解3D打印PLA塑料

魔猴君  知識堂   140天前

即使您是3D打印領域的新手，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，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出高質量的零件，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境。

在本文中，魔猴網將全面介紹PLA塑料，尤其是其在3D打印中的應用。我們將介紹這種塑料的制造方法、其優缺點、用途、制造方法、特性、可持續性問題等。

一、PLA是如何制造的？

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

雖然這個過程可能不會發生在你眼前，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。

原料

首先，玉米等天然原料經過濕磨，分離出植物淀粉。提取后，將淀粉與酶和其他化學物質混合加熱，釋放出葡萄糖（D-葡萄糖），一種糖。然后，葡萄糖發酵，產生乳酸單體，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PLA長絲時，長絲制造商首先將這些PLA顆粒與其他物質混合。這些添加劑通常會增強最終產品的性能，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PLA用于長絲制造以外的其他環境時，其過程非常相似，只是最終成型取決于預期的最終產品。

二、優點缺點

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點和缺點。

優點：

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)等其他更專業的打印材料相比，PLA價格相當便宜，因此對于預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。

更環保：PLA源自可再生資源，而不是像大多數其他熱塑性塑料一樣源自石化產品。此外，研究表明，與傳統塑料相比，PLA的生產能耗降低了65%，產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，可擴大其應用范圍至醫療、食品等行業。

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。它在環境中自然降解的條件非常罕見。更準確地說，PLA是工業可堆肥的。

三、用途

PLA可用于醫療用途，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。

醫療：PLA的無毒成分使其在醫療保健行業中大有用武之地。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，對于企業和個人來說，這是一種將想法變成現實的好方法。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，您可能會發現它用于墊子和被子、地毯、尿布甚至服裝面料的纖維填充。

化妝品：化妝品行業是塑料垃圾的一大來源，而PLA因其環保特性而作為包裝替代品越來越受歡迎。

現在您已經了解了PLA最常用的行業，下面是生產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，因為它可用于生產從樂高積木到汽車內部零件（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：如果您曾經收到過標有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生更堅固的3D打印部件。

柔韌性：PLA是一種硬質塑料，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。如果與高溫結合，降解速度會加快，并導致脆化。

耐化學性：PLA不溶于丙酮或異丙醇等溶劑，總體而言，PLA塑料是一種耐化學性且穩定的材料。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，它們不易轉化為增材制造。總體而言，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量的打印件。

其次，PLA材料隨處可見，而且消費級3D打印行業發展迅速，PLA材料線材在網上隨處可見。PLA材料線材價格也相當便宜，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對各種打印設置的容忍度很高（在合理范圍內），因此無需經過漫長的測試過程來完善切片機設置，即可輕松獲得良好的打印效果。大多數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整才能產生良好的打印效果。

最后，PLA的打印速度比大多數其他材料都要快，而且由于人們對快速成型的需求，PLA因快速開發原型而廣受歡迎。沒有人愿意等待數天直到他們的第一個原型生產出來，因為到那時，他們可能已經轉向下一個原型了！

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，已經出現了許多獨特類型的PLA長絲，為消費者提供了多種選擇：

標準PLA

首先，標準PLA是3D打印行業流行的常規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。

與標準選項沒有太大區別，再生PLA越來越普及，而且從可信賴的制造商處購買時質量優良。

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揮了很大的創造力（盡管我們不能保證在強度方面有任何優勢）。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會在黑暗中發光。還有雙色、彩虹和漸變燈絲，可讓PLA部件呈現五彩繽紛，無需上漆。如果想要獨特的外觀，請嘗試透明或啞光PLA燈絲。

采用與美學長絲略有不同的方法，旨在模仿天然材料的復合長絲可以將3D打印提升到一個新的水平。木質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，以產生大理石般的斑點效果。

功能

“Plus”和“Pro”是線材行業的常用術語，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鍵考慮因素。PLA是一種無毒材料，理論上可用于生產食品安全物品，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長絲中經常添加增塑劑等添加劑，這可能會對長絲的食品安全產生未知（且未經測試）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食品安全標準配制和制造的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、可持續發展

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，而不是大多數其他塑料所用的有害物質，如原油。這意味著PLA在很大程度上是一種可持續材料，因為植物相對可再生。

然而，生產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作物副產品而不是農作物本身來生產PLA。

從技術上講，PLA也是可生物降解的，但即使在理想環境下，PLA塑料部件也需要很長時間才能降解。一項研究發現，在受控的堆肥環境中，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打印廢料的特殊設施。或者，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