沒(méi)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(huì)在3D打印材料上看到各種關(guān)于強(qiáng)度的科學(xué)測(cè)量結(jié)果,例如“拉伸強(qiáng)度”和“彎曲強(qiáng)度”等術(shù)語(yǔ)。
那么該如何評(píng)判呢?今日魔猴網(wǎng)將和大家一起探索最強(qiáng)3D打印材料以及如何為您的3D打印項(xiàng)目選擇合適的材料。
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(guò) 22,000 磅的力量下失?。▉?lái)源:Markforged)
了解材料強(qiáng)度
這個(gè) 12 噸的儲(chǔ)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?。▉?lái)源:UltiMaker)
對(duì)于材料而言,所有強(qiáng)度測(cè)量值都會(huì)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(shí)效鋼都比所有不銹鋼都堅(jiān)固,但最強(qiáng)的馬氏體時(shí)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(huì)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(cè)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(gè)主要受力拉動(dòng)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(cè)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(dòng)。實(shí)際上,此測(cè)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(yǔ),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(shí)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(lái)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(duì)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(wú)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?。▉?lái)源:EOS)
拉伸模量(彈性)
彈性(又稱楊氏模量、拉伸模量)評(píng)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(zhǎng)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(zhǎng)絲的拉伸模量較高,為 3,720 兆帕(沒(méi)有彈性)。在選擇材料時(shí),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(zhǎng),另一個(gè)重要的測(cè)量指標(biāo)是 "斷裂伸長(zhǎng)率",它通常是部件的一個(gè)百分比,代表樣品在斷裂時(shí)的長(zhǎng)度變化。例如,熱塑性聚氨酯的斷裂伸長(zhǎng)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(lái)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(shí)承受斷裂的能力,或在受力時(shí)抵抗斷裂或開(kāi)裂的能力。
硬度似乎是一個(gè)模糊的術(shù)語(yǔ),尤其是在談及金屬時(shí)。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(gè)常用術(shù)語(yǔ),但它比上述測(cè)量值更為寬泛。例如,所有彈性體和柔性長(zhǎng)絲(如熱塑性聚氨酯)的邵氏硬度都是 A 級(jí),在 A 級(jí)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(gè)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(lái)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(cuò)特錯(cuò)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(lái)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(shí),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