SLA樹脂強(qiáng)度：3D打印樹脂強(qiáng)度有多高？

魔猴君  知識(shí)堂   56天前

樹脂3D打印因其能夠生產(chǎn)具有復(fù)雜細(xì)節(jié)和光滑表面的部件而受到贊譽(yù)。立體光刻(SLA)及其姊妹技術(shù)掩蔽立體光刻(MSLA/LCD)和數(shù)字光處理(DLP)最初因美觀和原型制作而受到青睞，它們證明了樹脂不僅外觀精美，而且功能強(qiáng)大。

這三種技術(shù)的基本原理都是利用光逐層固化液態(tài)樹脂，但它們的光源和投影方法有所不同。SLA使用激光來追蹤物體的形狀，精度較高但速度通常較慢，而DLP使用數(shù)字投影儀來閃現(xiàn)每一層的單個(gè)圖像，速度更快但可能會(huì)犧牲一些分辨率。與DLP類似，LCD使用LCD屏幕來遮擋光線，從而實(shí)現(xiàn)速度和分辨率的平衡。

許多樹脂與這三種技術(shù)兼容，盡管由于固化波長(zhǎng)或光強(qiáng)度的差異，有些樹脂可能是為其中一種或另一種專門配制的。

但強(qiáng)度如何？傳統(tǒng)上，樹脂3D打印與熔融沉積成型(FDM)打印相比，被認(rèn)為有些脆弱。然而，樹脂配方的最新發(fā)展為新一代堅(jiān)韌耐用的樹脂鋪平了道路，這些樹脂的強(qiáng)度可與特種線材相媲美，在某些情況下甚至超過特種線材。

在本文中，魔猴網(wǎng)將和大家深入探討高強(qiáng)度樹脂的世界，探索其特性、影響其性能的因素以及其強(qiáng)度真正發(fā)揮作用的各種應(yīng)用。無論您是工程師、設(shè)計(jì)師、業(yè)余愛好者，還是只是對(duì)3D打印的最新進(jìn)展感到好奇，現(xiàn)代樹脂3D打印的非凡強(qiáng)度和多功能性都會(huì)讓您驚嘆不已。

數(shù)量決定力量

圖片1：Elegoo的類ABS樹脂具有強(qiáng)度和細(xì)節(jié)處理能力（來源：Shib_Mc_Ne via Reddit）

談到3D打印樹脂的強(qiáng)度時(shí)，重要的是要知道“強(qiáng)度”不只是一個(gè)詞。它包括材料在不同力的作用下抵抗斷裂或變形的幾種方式。以下是樹脂3D打印的主要強(qiáng)度特性：

抗拉強(qiáng)度：這是樹脂承受拉斷的能力。想象一下拉伸橡皮筋；抗拉強(qiáng)度是它在斷裂前能承受多大的力?？估瓘?qiáng)度越高，樹脂在拉斷時(shí)斷裂的可能性就越小。

抗彎強(qiáng)度：這衡量了樹脂抵抗彎曲的能力。想象一下塑料尺在壓力下彎曲；抗彎強(qiáng)度是指它在破裂或永久彎曲之前可以承受的力。

抗沖擊強(qiáng)度：這告訴我們樹脂在承受突然沖擊或撞擊而不破裂的能力。這就像手機(jī)殼在掉落一次后會(huì)破裂與能承受多次掉落的區(qū)別。

抗壓強(qiáng)度：與抗拉強(qiáng)度相反。它測(cè)量樹脂在變形或塌陷前能承受多大的擠壓力。

剪切強(qiáng)度：這衡量了材料抵抗平面上反方向力的能力。想象一下用刀切水果；剪切強(qiáng)度是指切開水果需要多大的力，有些水果比其他水果更難切。

接下來，我們將看看不同類型的樹脂與FDM材料的比較。

樹脂與FDM

圖片2：FDM（左）和樹脂（右）打印在外觀和其他方面均有不同（來源：DCA_Tabletop via Reddit）

在強(qiáng)度方面比較樹脂和FDM并不是簡(jiǎn)單的同類比較。FDM部件的強(qiáng)度會(huì)因填充百分比和圖案、層高和長(zhǎng)絲本身等因素而有很大差異。但是，我們可以根據(jù)樹脂的類型進(jìn)行一些一般比較。這些樹脂可以是標(biāo)準(zhǔn)樹脂（不針對(duì)特定用途）、堅(jiān)韌樹脂（配方中包含添加劑）和高性能樹脂（具有卓越的強(qiáng)度、彈性、耐化學(xué)性等）。

抗拉強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)樹脂：大致與PLA（40-50 MPa）和一些PETG混合物（40-60 MPa）相當(dāng)。

堅(jiān)韌的樹脂：性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)PLA和PETG，有時(shí)甚至達(dá)到ABS強(qiáng)度的更高端（高達(dá)70 MPa）。

高性能樹脂：可以輕松超過大多數(shù)常見FDM長(zhǎng)絲的拉伸強(qiáng)度，有些甚至高達(dá)90 MPa。

抗彎強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)樹脂：與PLA相似（約50-60 MPa）。

堅(jiān)韌的樹脂：通常比PLA和PETG強(qiáng)度高得多，有時(shí)甚至超過ABS（高達(dá)100 MPa）。

高性能樹脂：抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通FDM長(zhǎng)絲的抗彎強(qiáng)度，有些甚至超過130 MPa。

沖擊強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)樹脂：通常比FDM長(zhǎng)絲更脆，但不同樹脂之間可能會(huì)有很大差異。

堅(jiān)韌樹脂：旨在吸收沖擊，通常達(dá)到或超過堅(jiān)韌PLA混合物或ABS的抗沖擊性。

高性能樹脂：變化范圍很廣，有些樹脂優(yōu)先考慮其他性能而不是抗沖擊性。

通過對(duì)技術(shù)的一般比較，我們可以更廣泛地了解不同工藝和材料的優(yōu)勢(shì)，然后讓我們仔細(xì)看看影響樹脂打印的其他因素。

不僅僅是材料

圖片3：支持也發(fā)揮了作用（來源：All3DP）

3D打印部件的強(qiáng)度不僅僅取決于您使用的樹脂。其他因素也會(huì)對(duì)部件的強(qiáng)度產(chǎn)生重大影響。

應(yīng)力集中

盡管樹脂在所有方向上都相同，但部件的形狀可能會(huì)在尖角或邊緣處產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn)。這些應(yīng)力點(diǎn)可能是薄弱點(diǎn)，而部件的放置方式會(huì)影響這些薄弱點(diǎn)與所施加力的關(guān)系。

支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)對(duì)于成功打印樹脂必不可少，但它們會(huì)在最終打印中產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn)和潛在的薄弱區(qū)域。打印時(shí)部件的定位方式會(huì)影響需要支撐的位置和數(shù)量，從而間接影響打印物體的整體強(qiáng)度。

后期處理

圖片4:有不同的后處理步驟（來源：All3DP）

后處理是樹脂3D打印中的一個(gè)重要步驟，會(huì)影響部件的最終強(qiáng)度和功能。適當(dāng)?shù)暮筇幚碛兄诖蛴〖_(dá)到最佳機(jī)械性能，同時(shí)外觀也很好。

移除支撐

第一步是移除支撐。打印過程中需要這些臨時(shí)結(jié)構(gòu)來支撐懸垂部分和復(fù)雜形狀，但打印后必須小心地移除它們。您可以使用平口鉗或鉗子等工具小心地將它們撬開。如果支撐移除不當(dāng)，它們會(huì)在表面留下應(yīng)力點(diǎn)或小裂縫，從而削弱結(jié)構(gòu)。為了獲得最佳強(qiáng)度，請(qǐng)?jiān)诠袒笠瞥?，因?yàn)楣袒蟮拇蛴〖鼒?jiān)硬，并且在此步驟中不太可能受損。

洗滌

下一步是清洗。這意味著要清潔打印件以去除表面或內(nèi)部腔體中任何未固化的（液體）樹脂，根據(jù)樹脂的類型，需要考慮不同的因素。通常使用異丙醇(IPA)進(jìn)行清洗，但三丙二醇單甲醚(TPM)正作為一種更安全的替代品而越來越受歡迎。無論您將打印件浸入溶劑浴中、使用噴霧瓶還是專用清洗站，目標(biāo)都是去除未固化的樹脂。清洗可防止表面粘性并改善打印件的機(jī)械性能。

固化

最后一步是固化。這涉及將打印件暴露在紫外線下，從而引起稱為交聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)將樹脂中的聚合物鏈粘合在一起，使材料凝固并增強(qiáng)其強(qiáng)度。適當(dāng)?shù)墓袒瘜?duì)于實(shí)現(xiàn)樹脂的全部強(qiáng)度、硬度和其他特性非常重要。紫外線燈和專用樹脂固化站通常用于此。

不同的樹脂可能需要特定波長(zhǎng)的紫外線，因此使用發(fā)射正確光譜的燈很重要。固化時(shí)間因樹脂類型、光強(qiáng)度和打印厚度而異。適當(dāng)?shù)墓袒陵P(guān)重要；固化不足會(huì)使樹脂變軟變脆，而固化過度會(huì)使樹脂變脆。

設(shè)計(jì)考慮

圖片5:3D模型的設(shè)計(jì)極大地影響了最終打印的強(qiáng)度。

以下是一些需要考慮的重要事項(xiàng)：

壁厚

壁厚越厚，部件越堅(jiān)固，因?yàn)楸诤裨胶瘢牧显胶?，越能抵抗斷裂和變形。然而，壁厚越厚，打印時(shí)間越長(zhǎng)，使用的材料也越多。對(duì)于大多數(shù)樹脂打印，建議壁厚至少為1-2毫米，以確保部件堅(jiān)固，同時(shí)平衡材料使用和打印時(shí)間。

幾何學(xué)

尖角和邊緣會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn)，使部件更容易斷裂。使用圓角（圓角）有助于更均勻地分散應(yīng)力并增強(qiáng)部件強(qiáng)度。對(duì)于無支撐壁，請(qǐng)確保厚度至少為1毫米，并使用圓角底座以減少接頭處的壓力并防止打印過程中發(fā)生翹曲或脫落。

挖空和排水孔

將樹脂打印件制成空心可以節(jié)省材料并減輕重量，但必須留有排水孔，以防止未固化的樹脂滯留在內(nèi)部。滯留的樹脂會(huì)導(dǎo)致壓力不平衡，從而導(dǎo)致裂縫或故障。空心打印件的壁厚應(yīng)至少為2毫米，以保持強(qiáng)度。

應(yīng)用

圖片6：事實(shí)證明，堅(jiān)韌的樹脂在許多情況下都很有用（來源：Formlabs）

現(xiàn)代樹脂的卓越強(qiáng)度不僅僅是理論上的；它正在為各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造令人興奮的新可能性。以下是一些現(xiàn)實(shí)世界的例子，展示了強(qiáng)韌樹脂如何改變3D打印應(yīng)用：

功能原型

堅(jiān)韌的樹脂對(duì)于制作功能性原型非常有用，可讓工程師和設(shè)計(jì)師制作出能夠經(jīng)受住真實(shí)測(cè)試的部件。例如，汽車行業(yè)使用Formlabs Tough 2000 Resin等樹脂來3D打印復(fù)雜的卡扣式機(jī)構(gòu)、鉸鏈和其他功能部件。這些原型可以承受反復(fù)使用、壓力和沖擊，在投入昂貴的批量生產(chǎn)工具之前，可以對(duì)設(shè)計(jì)提供寶貴的反饋。

最終用途零件

一些樹脂的強(qiáng)度現(xiàn)在不僅足以制造原型，還足以制造最終用途部件。例如，在制造業(yè)中，夾具和固定裝置（用于在裝配或加工過程中固定和定位工件的工具）正在用堅(jiān)韌的樹脂進(jìn)行3D打印。這些打印工具可以承受日常磨損，為傳統(tǒng)制造方法提供了一種經(jīng)濟(jì)高效且可定制的替代方案。

創(chuàng)意應(yīng)用

樹脂的強(qiáng)度為藝術(shù)家和業(yè)余愛好者開辟了新的可能性。例如，樹脂珠寶設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以制作復(fù)雜而精致的作品，這些作品不太可能破碎。由于堅(jiān)韌樹脂的強(qiáng)度提高，曾經(jīng)對(duì)樹脂來說太脆弱的精致花絲圖案、薄壁和復(fù)雜形狀現(xiàn)在可以可靠地制作出來。此外，樹脂3D打印具有光滑的表面處理和多種顏色，可實(shí)現(xiàn)美觀耐用的藝術(shù)創(chuàng)作。令人驚嘆的微縮模型可以增強(qiáng)游戲體驗(yàn)。

編譯整理：ALL3DP