3D打印最強(qiáng)的線材有哪些？

魔猴君  知識(shí)堂   126天前

在制造堅(jiān)固的零件時(shí)，最重要的選擇之一就是所使用的材料。盡管打印過(guò)程起著重要作用，但主要還是材料決定了最終組件的許多特性。你怎么知道該選擇哪一個(gè)？最堅(jiān)固的3D打印材料有哪些？

首先，必須定義抵抗到底是什么。這兩個(gè)概念常常與可持續(xù)性相混淆，但實(shí)際上并不相同。材料強(qiáng)度的定義是“材料在使用時(shí)抵抗機(jī)械力的能力”。這包括抗拉強(qiáng)度、變形和開(kāi)裂等幾個(gè)因素。

Airwolf3D進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試。（圖片來(lái)源：Airwolf3D）

評(píng)估材料強(qiáng)度的方法有很多，包括硬度、沖擊強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。然而，最常見(jiàn)的測(cè)量指標(biāo)之一是極限抗拉強(qiáng)度。這對(duì)應(yīng)于材料在受到拉力時(shí)可以支撐而不破裂的最大負(fù)載。換句話說(shuō)，它是永久拉伸或斷裂材料所需的力。

這是我們?cè)谶@里要重點(diǎn)關(guān)注的方面。我們將分析不同3D打印材料的強(qiáng)度，尤其是用于熔融沉積成型(FDM)（最流行的3D打印技術(shù)之一）的聚合物長(zhǎng)絲。抗拉強(qiáng)度以國(guó)際單位制(SI)中的壓力單位MPa（兆帕）和盎格魯-撒克遜系統(tǒng)中更常用的單位psi（磅/平方英寸）表示。以下列表分為三類(lèi)：標(biāo)準(zhǔn)材料、技術(shù)材料和復(fù)合材料。

還需要注意的是，一些具有最高抗拉強(qiáng)度的材料實(shí)際上是柔性材料，例如TPU。這些并未包括在此處，但這仍是一個(gè)有待討論的話題。此外，打印部件的機(jī)械性能不僅取決于材料，還取決于打印條件，包括所用的機(jī)器、參數(shù)和環(huán)境。因此，這些數(shù)字主要作為比較不同材料之間相對(duì)強(qiáng)度的指南。

標(biāo)準(zhǔn)材料：耐久性較差，但價(jià)格更實(shí)惠

一般來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)材料不是3D打印最強(qiáng)的長(zhǎng)絲，因?yàn)樗鼈兊臋C(jī)械性能較弱。然而，這并不意味著有些人的抵抗力不比其他人突出。在標(biāo)準(zhǔn)材料中，有些材料雖然無(wú)法與技術(shù)或高性能聚合物相比，但卻表現(xiàn)出相對(duì)較高的抗拉強(qiáng)度。

我們以PLA為例。這種材料通常被認(rèn)為是最脆弱的材料之一，特別是因?yàn)樗鼘?duì)紫外線的敏感性，但它卻具有相對(duì)較高的抗拉強(qiáng)度。該壓力在53 MPa至59 MPa之間（約7800–8250 psi）。讓我們將其與通常被認(rèn)為是堅(jiān)固材料的ABS進(jìn)行比較：后者的抗拉強(qiáng)度為34–36 MPa（約4600 psi）。

一些常見(jiàn)材料（如ABS、PLA和PETG）的拉伸強(qiáng)度。（圖片來(lái)源：BCN3D）

然而，這種比較并沒(méi)有考慮抗彎強(qiáng)度和耐久性，而這正是ABS所擅長(zhǎng)的兩個(gè)方面。PLA相對(duì)較脆，沖擊強(qiáng)度低，耐熱性低，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為60°C。另一方面，ABS具有延展性和更好的耐熱性，這使其更適合用于承受機(jī)械應(yīng)力的部件。

另一方面，PETG結(jié)合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)。其拉伸強(qiáng)度為38–44 MPa（5511–6380 psi），彎曲強(qiáng)度高（75–59 MPa），強(qiáng)度高于ABS，但剛度低于PLA。它也比ABS更容易打印，因此是一個(gè)很好的折衷方案。

工程和高性能材料：最強(qiáng)的細(xì)絲

技術(shù)材料旨在更加堅(jiān)固并適合工業(yè)應(yīng)用，是3D打印中最耐用的長(zhǎng)絲之一。一些高性能聚合物（HPP）的強(qiáng)度甚至超過(guò)工程材料，有時(shí)被用作金屬的替代品。

聚碳酸酯（PC）

聚碳酸酯是技術(shù)材料中最強(qiáng)的長(zhǎng)絲之一，得益于其高抗拉強(qiáng)度（60-70 MPa）、優(yōu)異的抗沖擊性和耐熱性。但由于其易彎曲，因此打印起來(lái)比較困難。

使用FDM 3D打印機(jī)在PC上打印的部件（圖片來(lái)源：MatterHackers）

尼龍

尼龍或聚酰胺也因其強(qiáng)度而聞名，盡管這取決于化學(xué)成分，而化學(xué)成分又取決于分子鏈中存在的碳原子的數(shù)量。在3D打印中主要使用PA6、PA11和PA12，后兩者常采用SLS技術(shù)進(jìn)行加工。PA6通常以長(zhǎng)絲形式使用，盡管PA11和PA12也以這種形式存在，有時(shí)甚至是復(fù)合材料。

這三種聚酰胺具有優(yōu)異的抗沖擊性，同時(shí)又堅(jiān)固且半柔韌。其中，PA6最適用于需要高機(jī)械強(qiáng)度的應(yīng)用，其斷裂強(qiáng)度在50至90 MPa(7250–13100 psi)之間。當(dāng)然，這個(gè)數(shù)字可能會(huì)有所不同，但制造商Ensinger Plastics表示PA6的斷裂強(qiáng)度約為79 MPa，而PA11約為52 MPa，PA12約為53 MPa。

所有這些聚酰胺都因具有高抗沖擊性、耐磨性和耐熱性而受到認(rèn)可。比較它們的特性，PA12可以算是“全能型”材料，結(jié)合了另外兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，而PA11則以其柔韌性而脫穎而出。此外，后兩者比PA6更容易打印。

PEEK

聚醚醚酮（PEEK）是一類(lèi)高性能聚合物（HPP），以其卓越的機(jī)械性能和超強(qiáng)的強(qiáng)度而聞名，因此有時(shí)被拿來(lái)與金屬相比。在斷裂強(qiáng)度方面，PEEK甚至超過(guò)了一些工程聚合物，典型值在90到100 MPa(13053–14504 psi)之間。在絲狀形式下，其壓力可達(dá)110 MPa(15954 psi)，超過(guò)了一些有色合金。

除了優(yōu)異的機(jī)械性能（拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、硬度、沖擊力）外，PEEK還具有極高的耐化學(xué)性。這些特性的組合使其成為航空航天、汽車(chē)、石油天然氣和醫(yī)療行業(yè)等要求嚴(yán)苛的應(yīng)用的理想選擇。

PEEK長(zhǎng)絲（圖片來(lái)源：3D4Makers）

聚醚酮酮PEKK

工業(yè)3D打印中經(jīng)常使用的另一種高性能聚合物是PEKK。聚醚酮酮(PEKK)與PEEK同屬PAEK家族，但在很多方面有所不同，但其出色的機(jī)械抗性仍然相似。例如，Lynxter電線的斷裂強(qiáng)度為105 MPa(15229 psi)，彎曲強(qiáng)度為95 MPa(13778 psi)，這些值接近PEEK。

PEKK的優(yōu)勢(shì)在于由于結(jié)晶速度較低，所以層間附著力更好。與PEEK相比，這使其在各個(gè)軸上都具有更好的抗拉強(qiáng)度。此外，與后者一樣，它具有優(yōu)異的耐化學(xué)性和耐熱性，以及更好的抗彎強(qiáng)度。

ULTEM

在高性能聚合物（HPP）類(lèi)別中，我們還發(fā)現(xiàn)了PEI，其品牌名稱為ULTEM。這種長(zhǎng)絲還具有高抗拉強(qiáng)度，盡管這取決于所用版本的不同。

ULTEM 9085因其高強(qiáng)度而備受青睞，其強(qiáng)度約為70 MPa(10153 psi)，但與PEKK和PEEK一樣，根據(jù)長(zhǎng)絲的不同，其強(qiáng)度最高可達(dá)110 MPa。

ULTEM的另一大優(yōu)點(diǎn)是其出色的耐熱性（最高可達(dá)180°C）以及高抗沖擊性和優(yōu)異的強(qiáng)度/重量比。然而，與其他HPP聚合物一樣，它難以打印并且非常昂貴，這限制了它在工業(yè)應(yīng)用中的使用。

復(fù)合材料：增強(qiáng)聚合物的強(qiáng)度

復(fù)合材料將多種成分結(jié)合在一起，以提高其機(jī)械強(qiáng)度、剛度、耐熱性和耐用性。具體使用三種類(lèi)型的纖維：

碳纖維（CF）

碳纖維是復(fù)合纖維中強(qiáng)度最高、價(jià)格最昂貴的。在3D打印中，其最終結(jié)果取決于許多因素，例如纖維的位置、纖維的密度和所使用的聚合物基質(zhì)。

一些消息來(lái)源估計(jì)，純碳纖維的抗拉強(qiáng)度約為4137 MPa(600,000 psi)。當(dāng)然，這個(gè)值并不能完全轉(zhuǎn)移到復(fù)合材料長(zhǎng)絲上，但添加碳纖維通常會(huì)使材料強(qiáng)度提高約40%。

用碳纖維增強(qiáng)的3D打印部件（圖片來(lái)源：Anisoprint

玻璃纖維

玻璃纖維是FDM 3D打印中最常用的復(fù)合材料之一。與其他纖維一樣，它可以改善打印部件的機(jī)械性能，包括其柔韌性和抗損壞性。

但它的強(qiáng)度不如碳纖維。在純狀態(tài)下，玻璃纖維的斷裂強(qiáng)度約為3450 MPa(500 380 psi)。該值對(duì)最終長(zhǎng)絲的影響取決于復(fù)合材料的特性。

編譯整理：3dnatives