探索最強3D打印材料
魔猴君 知識堂 408天前
沒有人希望自己的3D打印部件破損，不管打印什么結構都需要堅固的材料。
強度可以指硬度、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于強度的科學測量結果，例如“拉伸強度”和“彎曲強度”等術語。
在 Markforged 3D 打印機上打印的 3D 打印碳纖維增強鏈節最終在超過 22,000 磅的力量下失敗（來源：Markforged）
了解材料強度
這個 12 噸的儲罐使用 2 公斤重的 3D 打印實心碳纖維增強尼龍連桿進行吊裝，該連桿由 UltiMaker 使用 Convestro 的名為 Addigy F1030 CF10 的碳纖維尼龍設計和打?。▉碓矗篣ltiMaker）
對于材料而言，所有強度測量值都會根據材料制造商、材料的具體成分以及所使用的打印參數而有所不同。比如，并非所有馬氏體時效鋼都比所有不銹鋼都堅固，但最強的馬氏體時效鋼比最強的不銹鋼更強。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。
另一點需要考慮的是您的環境條件。標準碳纖維尼龍與碳纖維 PEEK 一樣堅固，但在潮濕或腐蝕性環境中會分解。所有強度數據均在標準溫度和壓力 (STP) 下測量，但大多數應用需要溫度、紫外線或化學條件下的強度。
拉伸強度（抗拉強度）
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度。拉伸強度是指材料在斷裂前可以承受的拉力或應力。測量材料的拉伸強度實際上是將材料樣品放入類似虎鉗的機器中，然后沿相反方向拉動。實際上，此測量與零件斷裂的速度或其脆性有關。
拉伸強度還有一些重要的相關術語，如極限拉伸強度（UTS），即實際斷裂點，以及拉伸屈服強度，即材料永久變形時的強度，在大多數情況下，即使尚未斷裂，也已失去作用。
抗拉強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用中替代金屬。
設計師 Alejandro Estrada 坐在他的 Truss 椅子上，采用 Ingeo Biopolymer PLA 印刷（來源：Piegatto）
彎曲強度（抗彎強度）
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，您就需要高抗彎強度的材料。抗彎強度表示材料在彎曲失效前可承受的最大應力。
抗彎強度越高，材料對彎曲或撓曲力的抵抗能力就越強。因此，如果你確實想打印出類似上圖椅子的東西，你應該選擇與你期望椅子受力大小成正比的抗彎強度，而不是抗彎強度最高的材料。上圖中的椅子是用聚乳酸打印的，其抗彎強度為 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生彎曲。
Wilson 的 2023 年無氣概念籃球采用 EOS 的選擇性激光燒結技術，在拉伸模量為 60 MPa 的 TPU 材料上進行 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 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，彈性是經常與強度一起使用的衡量標準之一。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，沖擊強度為 341 J/m2（來源：Polymaker）
沖擊強度和硬度
沖擊強度（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，這與材料的強度或柔韌性關系不大。邵氏硬度是聚合物的一個常用術語，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，它們有各自的數值，如邵氏硬度 95A。
金屬、陶瓷和聚合物哪個更強
為您的零件選擇金屬、陶瓷或聚合物材料需要考慮其應用（來源：PrintDreams、Lithoz、Intamsys）
如果認為所有金屬都比所有聚合物更堅固，那就大錯特錯了。事實上，在許多高溫環境中，使用PEEK等高強度材料進行3D打印，可以在正確的應用中取代金屬的使用。在航空航天應用中，聚合物經常被用來替代金屬，因為它們更輕，通常也更耐腐蝕。在將聚合物與金屬進行比較時，大多數聚合物供應商使用的是比拉伸強度，即材料強度除以密度。
許多技術陶瓷在某些方面也比金屬更強，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) 等技術陶瓷在剛度方面非常強，但在脆性方面有一定的局限性。
編譯整理：ALL3DP
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