3D打印最強的線材有哪些？

魔猴君  知識堂   2天前

在制造堅固的零件時，最重要的選擇之一就是所使用的材料。盡管打印過程起著重要作用，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？最堅固的3D打印材料有哪些？

首先，必須定義抵抗到底是什么。這兩個概念常常與可持續性相混淆，但實際上并不相同。材料強度的定義是“材料在使用時抵抗機械力的能力”。這包括抗拉強度、變形和開裂等幾個因素。

Airwolf3D進行抗拉強度測試。（圖片來源：Airwolf3D）

評估材料強度的方法有很多，包括硬度、沖擊強度、抗壓強度、屈服強度、疲勞強度和彎曲強度。然而，最常見的測量指標之一是極限抗拉強度。這對應于材料在受到拉力時可以支撐而不破裂的最大負載。換句話說，它是永久拉伸或斷裂材料所需的力。

這是我們在這里要重點關注的方面。我們將分析不同3D打印材料的強度，尤其是用于熔融沉積成型(FDM)（最流行的3D打印技術之一）的聚合物長絲。抗拉強度以國際單位制(SI)中的壓力單位MPa（兆帕）和盎格魯-撒克遜系統中更常用的單位psi（磅/平方英寸）表示。以下列表分為三類：標準材料、技術材料和復合材料。

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

標準材料：耐久性較差，但價格更實惠

一般來說，標準材料不是3D打印最強的長絲，因為它們的機械性能較弱。然而，這并不意味著有些人的抵抗力不比其他人突出。在標準材料中，有些材料雖然無法與技術或高性能聚合物相比，但卻表現出相對較高的抗拉強度。

我們以PLA為例。這種材料通常被認為是最脆弱的材料之一，特別是因為它對紫外線的敏感性，但它卻具有相對較高的抗拉強度。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為是堅固材料的ABS進行比較：后者的抗拉強度為34–36 MPa（約4600 psi）。

一些常見材料（如ABS、PLA和PETG）的拉伸強度。（圖片來源：BCN3D）

然而，這種比較并沒有考慮抗彎強度和耐久性，而這正是ABS所擅長的兩個方面。PLA相對較脆，沖擊強度低，耐熱性低，玻璃化轉變溫度約為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械應力的部件。

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

工程和高性能材料：最強的細絲

技術材料旨在更加堅固并適合工業應用，是3D打印中最耐用的長絲之一。一些高性能聚合物（HPP）的強度甚至超過工程材料，有時被用作金屬的替代品。

聚碳酸酯（PC）

聚碳酸酯是技術材料中最強的長絲之一，得益于其高抗拉強度（60-70 MPa）、優異的抗沖擊性和耐熱性。但由于其易彎曲，因此打印起來比較困難。

使用FDM 3D打印機在PC上打印的部件（圖片來源：MatterHackers）

尼龍

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

這三種聚酰胺具有優異的抗沖擊性，同時又堅固且半柔韌。其中，PA6最適用于需要高機械強度的應用，其斷裂強度在50至90 MPa(7250–13100 psi)之間。當然，這個數字可能會有所不同，但制造商Ensinger Plastics表示PA6的斷裂強度約為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可。比較它們的特性，PA12可以算是“全能型”材料，結合了另外兩種材料的優點，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）是一類高性能聚合物（HPP），以其卓越的機械性能和超強的強度而聞名，因此有時被拿來與金屬相比。在斷裂強度方面，PEEK甚至超過了一些工程聚合物，典型值在90到100 MPa(13053–14504 psi)之間。在絲狀形式下，其壓力可達110 MPa(15954 psi)，超過了一些有色合金。

除了優異的機械性能（拉伸強度、彎曲強度、硬度、沖擊力）外，PEEK還具有極高的耐化學性。這些特性的組合使其成為航空航天、汽車、石油天然氣和醫療行業等要求嚴苛的應用的理想選擇。

PEEK長絲（圖片來源：3D4Makers）

聚醚酮酮PEKK

工業3D打印中經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，但其出色的機械抗性仍然相似。例如，Lynxter電線的斷裂強度為105 MPa(15229 psi)，彎曲強度為95 MPa(13778 psi)，這些值接近PEEK。

PEKK的優勢在于由于結晶速度較低，所以層間附著力更好。與PEEK相比，這使其在各個軸上都具有更好的抗拉強度。此外，與后者一樣，它具有優異的耐化學性和耐熱性，以及更好的抗彎強度。

ULTEM

在高性能聚合物（HPP）類別中，我們還發現了PEI，其品牌名稱為ULTEM。這種長絲還具有高抗拉強度，盡管這取決于所用版本的不同。

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

ULTEM的另一大優點是其出色的耐熱性（最高可達180°C）以及高抗沖擊性和優異的強度/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，這限制了它在工業應用中的使用。

復合材料：增強聚合物的強度

復合材料將多種成分結合在一起，以提高其機械強度、剛度、耐熱性和耐用性。具體使用三種類型的纖維：

碳纖維（CF）

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

一些消息來源估計，純碳纖維的抗拉強度約為4137 MPa(600,000 psi)。當然，這個值并不能完全轉移到復合材料長絲上，但添加碳纖維通常會使材料強度提高約40%。

用碳纖維增強的3D打印部件（圖片來源：Anisoprint

玻璃纖維

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

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

編譯整理：3dnatives