探索最強(qiáng)3D打印材料
魔猴君 知識堂 443天前
沒有人希望自己的3D打印部件破損，不管打印什么結(jié)構(gòu)都需要堅(jiān)固的材料。
強(qiáng)度可以指硬度、抗沖擊性、不斷裂的承載能力等。大家也會在3D打印材料上看到各種關(guān)于強(qiáng)度的科學(xué)測量結(jié)果，例如“拉伸強(qiáng)度”和“彎曲強(qiáng)度”等術(shù)語。
在 Markforged 3D 打印機(jī)上打印的 3D 打印碳纖維增強(qiáng)鏈節(jié)最終在超過 22,000 磅的力量下失?。▉碓矗篗arkforged）
了解材料強(qiáng)度
這個 12 噸的儲罐使用 2 公斤重的 3D 打印實(shí)心碳纖維增強(qiáng)尼龍連桿進(jìn)行吊裝，該連桿由 UltiMaker 使用 Convestro 的名為 Addigy F1030 CF10 的碳纖維尼龍?jiān)O(shè)計(jì)和打印（來源：UltiMaker）
對于材料而言，所有強(qiáng)度測量值都會根據(jù)材料制造商、材料的具體成分以及所使用的打印參數(shù)而有所不同。比如，并非所有馬氏體時效鋼都比所有不銹鋼都堅(jiān)固，但最強(qiáng)的馬氏體時效鋼比最強(qiáng)的不銹鋼更強(qiáng)。同樣，并非所有碳纖維尼龍都比碳纖維 PEEK 材料更能抵抗彎曲，但情況通常如此。
另一點(diǎn)需要考慮的是您的環(huán)境條件。標(biāo)準(zhǔn)碳纖維尼龍與碳纖維 PEEK 一樣堅(jiān)固，但在潮濕或腐蝕性環(huán)境中會分解。所有強(qiáng)度數(shù)據(jù)均在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力 (STP) 下測量，但大多數(shù)應(yīng)用需要溫度、紫外線或化學(xué)條件下的強(qiáng)度。
拉伸強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）
如果您要 3D 打印一個主要受力拉動的零件，例如用于提升重物的鉤子，您將需要較高的拉伸強(qiáng)度。拉伸強(qiáng)度是指材料在斷裂前可以承受的拉力或應(yīng)力。測量材料的拉伸強(qiáng)度實(shí)際上是將材料樣品放入類似虎鉗的機(jī)器中，然后沿相反方向拉動。實(shí)際上，此測量與零件斷裂的速度或其脆性有關(guān)。
拉伸強(qiáng)度還有一些重要的相關(guān)術(shù)語，如極限拉伸強(qiáng)度（UTS），即實(shí)際斷裂點(diǎn)，以及拉伸屈服強(qiáng)度，即材料永久變形時的強(qiáng)度，在大多數(shù)情況下，即使尚未斷裂，也已失去作用。
抗拉強(qiáng)度最高的材料是金屬，但不包括聚合物，尤其是碳纖維。這些材料通常用于在聚合物重量較輕的應(yīng)用中替代金屬。
設(shè)計(jì)師 Alejandro Estrada 坐在他的 Truss 椅子上，采用 Ingeo Biopolymer PLA 印刷（來源：Piegatto）
彎曲強(qiáng)度（抗彎強(qiáng)度）
如果您的部件（例如 3D 打印的椅子）需要稍微彎曲以承受力而不斷裂，您就需要高抗彎強(qiáng)度的材料。抗彎強(qiáng)度表示材料在彎曲失效前可承受的最大應(yīng)力。
抗彎強(qiáng)度越高，材料對彎曲或撓曲力的抵抗能力就越強(qiáng)。因此，如果你確實(shí)想打印出類似上圖椅子的東西，你應(yīng)該選擇與你期望椅子受力大小成正比的抗彎強(qiáng)度，而不是抗彎強(qiáng)度最高的材料。上圖中的椅子是用聚乳酸打印的，其抗彎強(qiáng)度為 102 兆帕。
不要將其與彎曲模量混淆，后者是指材料的抗彎強(qiáng)度或剛度。管子或容器等薄壁部件將受益于高彎曲模量，以防止在外力作用下發(fā)生彎曲。
Wilson 的 2023 年無氣概念籃球采用 EOS 的選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，在拉伸模量為 60 MPa 的 TPU 材料上進(jìn)行 3D 打印（來源：EOS）
拉伸模量（彈性）
彈性（又稱楊氏模量、拉伸模量）評估材料的彈性，它是材料變形與變形所需功率之間的比值。
例如，典型的 TPU 長絲的拉伸模量較低，約為 70 兆帕（非常有彈性），而大多數(shù) PEEK 長絲的拉伸模量較高，為 3,720 兆帕（沒有彈性）。在選擇材料時，彈性是經(jīng)常與強(qiáng)度一起使用的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。如果要確定部件在不斷裂的情況下能拉伸多長，另一個重要的測量指標(biāo)是 "斷裂伸長率"，它通常是部件的一個百分比，代表樣品在斷裂時的長度變化。例如，熱塑性聚氨酯的斷裂伸長率可能為 400%。
該燈由 Polymaker 使用其 PolyLite PC 燈絲采用聚碳酸酯打印而成，沖擊強(qiáng)度為 341 J/m2（來源：Polymaker）
沖擊強(qiáng)度和硬度
沖擊強(qiáng)度（或一般稱為韌性）是指部件在跌落時承受斷裂的能力，或在受力時抵抗斷裂或開裂的能力。
硬度似乎是一個模糊的術(shù)語，尤其是在談及金屬時。它可以指抗劃傷性、耐磨性或部件的抗凹陷能力。塑料的硬度通常顯示為洛氏硬度或肖氏硬度值，這與材料的強(qiáng)度或柔韌性關(guān)系不大。邵氏硬度是聚合物的一個常用術(shù)語，但它比上述測量值更為寬泛。例如，所有彈性體和柔性長絲（如熱塑性聚氨酯）的邵氏硬度都是 A 級，在 A 級類別中，它們有各自的數(shù)值，如邵氏硬度 95A。
金屬、陶瓷和聚合物哪個更強(qiáng)
為您的零件選擇金屬、陶瓷或聚合物材料需要考慮其應(yīng)用（來源：PrintDreams、Lithoz、Intamsys）
如果認(rèn)為所有金屬都比所有聚合物更堅(jiān)固，那就大錯特錯了。事實(shí)上，在許多高溫環(huán)境中，使用PEEK等高強(qiáng)度材料進(jìn)行3D打印，可以在正確的應(yīng)用中取代金屬的使用。在航空航天應(yīng)用中，聚合物經(jīng)常被用來替代金屬，因?yàn)樗鼈兏p，通常也更耐腐蝕。在將聚合物與金屬進(jìn)行比較時，大多數(shù)聚合物供應(yīng)商使用的是比拉伸強(qiáng)度，即材料強(qiáng)度除以密度。
許多技術(shù)陶瓷在某些方面也比金屬更強(qiáng)，例如拉伸模量（或受力變形阻力）。氮化硅 (Si3N4)、氧化鋁 (Al2O3) 和氧化鋯 (ZrO2) 等技術(shù)陶瓷在剛度方面非常強(qiáng)，但在脆性方面有一定的局限性。
編譯整理：ALL3DP
