PVA 與 HIPS：選擇哪種3D打印支撐材質(zhì)？

魔猴君  知識(shí)堂   174天前

當(dāng)您想要打印具有復(fù)雜幾何形狀、懸垂、長橋和空腔的物體時(shí)，通常無法避免打印支撐。FFF或樹脂技術(shù)尤其如此，這與某些基于塑料粉末的打印技術(shù)（例如選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)）不同，后者使用多余的粉末為打印部件提供支撐。

對(duì)支撐材料的要求多種多樣，很難做出正確的選擇。打印后，支撐物必須盡可能容易移除，并且不會(huì)在打印物體上留下任何痕跡。理想情況下，使用與打印物體不同的材料。強(qiáng)烈建議使用雙擠出機(jī)配合FFF打印機(jī)，以避免材料交叉污染并減少打印時(shí)間。幸運(yùn)的是，長絲市場(chǎng)上有適合甚至專用于打印介質(zhì)的特殊材料。在本文中，魔猴網(wǎng)將和大家一起研究學(xué)習(xí)其中兩種材料，從而在特性、打印性能和應(yīng)用方面比較PVA和HIPS。PVA是一種主要用作FFF 3D打印的可溶支撐材料，而HIPS既可以用作成品零件的支撐材料，也可以用作打印材料。這里我們將主要關(guān)注它作為支撐結(jié)構(gòu)材料的用途。

使用PVA支撐3D打印復(fù)雜物體（照片來源：Zortrax）

PVA和HIPS的特性

PVA和HIPS是熱塑性塑料。PVA代表聚乙烯醇。它是由聚醋酸乙烯酯（PVAC）與水反應(yīng)分解的化合物經(jīng)堿性水解或皂化而形成。它具有因水而獲得彈性和柔韌性的特殊性。水分通常充當(dāng)PVA的增塑劑，而PVA往往相當(dāng)脆，水會(huì)導(dǎo)致PVA遲早溶解，具體取決于環(huán)境的濕度水平。在水中的溶解度取決于PVA和皂化各自的組成。根據(jù)PVA的類型，水解度（通過固定水而對(duì)物體進(jìn)行化學(xué)分解）在70至100 mol%之間變化。該程度影響PVA的熔點(diǎn)和溶解速度。如果PVA溶解在水中，只需將其洗掉即可。因此PVA也非常環(huán)保。

HIPS則源自“高抗沖聚苯乙烯”和聚丁二烯橡膠的混合物。因此，它是一種結(jié)合了橡膠的彈性和聚苯乙烯的電阻的共聚物?？傮w而言，HIPS的性能與ABS相似，但更硬且更耐沖擊。它以其強(qiáng)度、輕便、耐用和機(jī)械阻力而聞名。HIPS堅(jiān)硬但不脆。雖然它不溶于水，但會(huì)受到某些酸、堿、有機(jī)溶劑和化學(xué)品的侵蝕，導(dǎo)致材料降解。檸檬烯和汽油會(huì)導(dǎo)致HIPS變脆、變色和降解。因此，當(dāng)用作支撐材料時(shí)，需要在后處理中用檸檬烯對(duì)物體進(jìn)行處理。請(qǐng)注意，許多3D打印材料（例如PLA和PETG）與HIPS不兼容，因?yàn)樗鼈儗?duì)堿和酸敏感。另一方面，該組合與耐酸的ABS配合良好，但與PLA或PETG配合不佳。

與HIPS不同，PVA很容易溶解在水中（照片來源：XYZ Printing）

另一方面，PVA只能與熔點(diǎn)相似的材料一起使用，以避免打印錯(cuò)誤。PVA的熔點(diǎn)理論上為230°C。然而，PVA的熔點(diǎn)取決于PVA的類型。對(duì)于完全水解的形式，熔化溫度較低，在160至180°C之間。至于HIPS，其熔點(diǎn)為220°C。

PVA和HIPS具有相似的拉伸強(qiáng)度特性。該壓力較低，約為22 MPa，因此即使加水使PVA更具彈性，材料的柔韌性也不是很好。這兩種材料無毒、無味；然而，使用HIPS打印會(huì)產(chǎn)生令人不快的煙霧。

ESUN PVA線軸（圖片來源：ESUN）

3D打印中的PVA和HIPS

貯存

為了使PVA 3D打印取得成功，線材必須存放在溫度適中（理想情況下為15至25°C）的地方，遠(yuǎn)離光（自然光或人造光）、灰塵和濕氣。PVA容易發(fā)霉，如果吸潮后不宜立即使用，否則成品可能會(huì)變形或出現(xiàn)孔洞、氣泡等異常情況。為了避免這個(gè)陷阱，如果PVA已濕，則必須事先在50至80°C之間干燥約8至12小時(shí)。最好將其存放在密封容器中。

另一方面，HIPS不吸收水分。它對(duì)紫外線也很敏感。

PVA在打印板上干燥（照片來源：IGO3D）

易于打印

在配置方面，與許多其他3D打印支撐材料一樣，建議在與成品部件接觸的支撐部分和后者之間不要留有任何空間。因此，表面光潔度將達(dá)到最佳，不會(huì)出現(xiàn)滲漏或其他異?，F(xiàn)象。由于支撐物會(huì)溶解，因此在打印過程中它們對(duì)部件的粘附不成問題。

為了使HIPS與打印床具有良好的附著力，建議使用膠水或膠帶等解決方案?；贏BS和丙酮的制劑也可用于此目的。對(duì)于PVA，遮蔽膠帶是理想的選擇。

為了使HIPS更好地粘附在打印床上，可以使用膠水（照片來源：Makerbot） 

為了使用PVA獲得良好的打印效果，需要將打印床預(yù)熱到45到60℃之間，并將擠出機(jī)溫度提高到185到200℃之間。另一方面，HIPS需要更高的溫度：打印床溫度為100至115°C，擠出機(jī)溫度為230至245°C。如前所述，由于最好使用與打印物體材料具有相同熔化溫度的支撐材料，因此PVA和HIPS不用于支撐相同的材料。因此，PVA優(yōu)先與PLA、TPLA、PETG和CPE一起使用，而除ABS外，主要使用HIPS。

為了獲得PVA的最佳打印效果，建議使用“滲水防護(hù)罩”來保護(hù)零件和支撐物免于滲水。它是圍繞零件（和支撐件）的一堵墻，并與零件同時(shí)打印；它的唯一目的是捕獲來自噴嘴的滲出物，以免損壞打印部件。

事實(shí)上，當(dāng)噴嘴不使用但繼續(xù)加熱時(shí)，其中包含的燈絲有滲出甚至堵塞噴嘴的風(fēng)險(xiǎn)。此外，對(duì)于PVA，建議使用風(fēng)扇來冷卻零件，因?yàn)樗梢允顾芰细斓啬?，從而有助于減少拉絲現(xiàn)象并提高打印零件的質(zhì)量。相反，對(duì)于HIPS來說，冷卻風(fēng)扇的使用并不是必需的。

對(duì)于HIPS的打印，建議使用封閉的外殼來限制打印物體與周圍空氣之間的溫差。這一預(yù)防措施將有助于避免因溫度突然變化而導(dǎo)致卷曲、翹曲甚至分層現(xiàn)象。此外，最好有有效的通風(fēng)系統(tǒng)和HEPA空氣過濾器，并保護(hù)您的呼吸道，與PVA不同，HIPS的打印會(huì)產(chǎn)生苯乙烯等難聞的煙霧。

至于推薦的打印速度，PVA約為30毫米/秒，低于大多數(shù)其他材料：這是PVA的脆性所需要的。HIPS的打印速度為40至80毫米/秒。

如果打印機(jī)設(shè)置得當(dāng)，這兩種細(xì)絲都非常容易打印。

就像ABS一樣，HIPS在壓力下往往會(huì)卷起并彎曲（照片來源：Sculpteo）

后處理

至于后處理，對(duì)于PVA來說非常簡單，只需將部件浸入水浴中1至2小時(shí)，直至支撐物溶解。由于PVA是可生物降解的，因此水可以排入下水道。

HIPS的后處理更加細(xì)膩。建議首先用手拆卸大部件。剩余部分將使用化學(xué)溶劑（例如化學(xué)檸檬酸）溶解。這種策略可以節(jié)省溶劑，每升成本約為30歐元。溶解過程中，切記保護(hù)眼睛、呼吸道（口罩）和手（防護(hù)手套），避免刺激。

當(dāng)使用HIPS作為支撐時(shí)，最好先切割大塊零件，然后再用檸檬烯溶解它們（照片來源：MatterHackers）

PVA和HIPs在3D打印中的應(yīng)用

正如我們之前討論的，PVA和HIPS用于在3D打印其他材料時(shí)生產(chǎn)支撐件。PVA還可用于制作原型，甚至模具。設(shè)計(jì)部門還使用PVA來制作裝飾模型。

由于它不像PVA那樣溶于水，而且由于其輕質(zhì)、良好的抗沖擊性以及可打印成不同形狀和顏色的可能性，HIPS也可用于制造玩具和兒童用品等成品部件。它在汽車行業(yè)也很受歡迎，用于生產(chǎn)儀表板組件等內(nèi)飾部件。HIPS還用于制造電氣和電子設(shè)備的外殼。HIPS最后用于包裝設(shè)計(jì)，特別是在食品行業(yè)（特別是用于外賣餐食的翻蓋式容器）或化妝品。

HIPS還用作包裝打印材料（照片來源：塑料技術(shù)）

生產(chǎn)廠家及價(jià)格

市場(chǎng)上有的PVA長絲的厚度有1.75和2.85毫米。購買燈絲之前，請(qǐng)檢查其厚度是否與3D打印機(jī)擠出機(jī)的直徑相符。一卷500克PVA的價(jià)格在17至183歐元之間，但平均價(jià)格超過46歐元。然而，價(jià)格取決于制造商。PVA長絲供應(yīng)商包括Arianeplast、eSUN、FormFutura、Forward AM(BASF)、Infinite Material Solutions、INNOVATEFIL、MatterHackers、三菱化學(xué)公司、Neofil3D、Polymaker、PrimaCreator、Raise3D、RS PRO、UltiMaker、XYZprinting。

HIPS比PVA便宜得多，一卷長絲的售價(jià)在13至35歐元之間。一些最知名的制造商包括Arianeplast、eSUN、Forward AM(BASF)、Intamsys、Kimya、Nanovia、Neofil3D、Raise3D、RS PRO、Smart Materials 3D、MatterHackers和Zortrax。需要注意的是，HIPS長絲的配方并不總是相同的，需要注意。事實(shí)上，有些包含有利于打印過程的添加劑，但可能使打印后支撐物的去除變得復(fù)雜。

來源：3dnatives