3D打印最强的线材有哪些？

魔猴君  知识堂   404天前

在制造坚固的零件时，最重要的选择之一就是所使用的材料。尽管打印过程起着重要作用，但主要还是材料决定了最终组件的许多特性。你怎么知道该选择哪一个？最坚固的3D打印材料有哪些？

首先，必须定义抵抗到底是什么。这两个概念常常与可持续性相混淆，但实际上并不相同。材料强度的定义是“材料在使用时抵抗机械力的能力”。这包括抗拉强度、变形和开裂等几个因素。

Airwolf3D进行抗拉强度测试。（图片来源：Airwolf3D）

评估材料强度的方法有很多，包括硬度、冲击强度、抗压强度、屈服强度、疲劳强度和弯曲强度。然而，最常见的测量指标之一是极限抗拉强度。这对应于材料在受到拉力时可以支撑而不破裂的最大负载。换句话说，它是永久拉伸或断裂材料所需的力。

这是我们在这里要重点关注的方面。我们将分析不同3D打印材料的强度，尤其是用于熔融沉积成型(FDM)（最流行的3D打印技术之一）的聚合物长丝。抗拉强度以国际单位制(SI)中的压力单位MPa（兆帕）和盎格鲁-撒克逊系统中更常用的单位psi（磅/平方英寸）表示。以下列表分为三类：标准材料、技术材料和复合材料。

还需要注意的是，一些具有最高抗拉强度的材料实际上是柔性材料，例如TPU。这些并未包括在此处，但这仍是一个有待讨论的话题。此外，打印部件的机械性能不仅取决于材料，还取决于打印条件，包括所用的机器、参数和环境。因此，这些数字主要作为比较不同材料之间相对强度的指南。

标准材料：耐久性较差，但价格更实惠

一般来说，标准材料不是3D打印最强的长丝，因为它们的机械性能较弱。然而，这并不意味着有些人的抵抗力不比其他人突出。在标准材料中，有些材料虽然无法与技术或高性能聚合物相比，但却表现出相对较高的抗拉强度。

我们以PLA为例。这种材料通常被认为是最脆弱的材料之一，特别是因为它对紫外线的敏感性，但它却具有相对较高的抗拉强度。该压力在53 MPa至59 MPa之间（约7800–8250 psi）。让我们将其与通常被认为是坚固材料的ABS进行比较：后者的抗拉强度为34–36 MPa（约4600 psi）。

一些常见材料（如ABS、PLA和PETG）的拉伸强度。（图片来源：BCN3D）

然而，这种比较并没有考虑抗弯强度和耐久性，而这正是ABS所擅长的两个方面。PLA相对较脆，冲击强度低，耐热性低，玻璃化转变温度约为60°C。另一方面，ABS具有延展性和更好的耐热性，这使其更适合用于承受机械应力的部件。

另一方面，PETG结合了两种材料的优点。其拉伸强度为38–44 MPa（5511–6380 psi），弯曲强度高（75–59 MPa），强度高于ABS，但刚度低于PLA。它也比ABS更容易打印，因此是一个很好的折衷方案。

工程和高性能材料：最强的细丝

技术材料旨在更加坚固并适合工业应用，是3D打印中最耐用的长丝之一。一些高性能聚合物（HPP）的强度甚至超过工程材料，有时被用作金属的替代品。

聚碳酸酯（PC）

聚碳酸酯是技术材料中最强的长丝之一，得益于其高抗拉强度（60-70 MPa）、优异的抗冲击性和耐热性。但由于其易弯曲，因此打印起来比较困难。

使用FDM 3D打印机在PC上打印的部件（图片来源：MatterHackers）

尼龙

尼龙或聚酰胺也因其强度而闻名，尽管这取决于化学成分，而化学成分又取决于分子链中存在的碳原子的数量。在3D打印中主要使用PA6、PA11和PA12，后两者常采用SLS技术进行加工。PA6通常以长丝形式使用，尽管PA11和PA12也以这种形式存在，有时甚至是复合材料。

这三种聚酰胺具有优异的抗冲击性，同时又坚固且半柔韧。其中，PA6最适用于需要高机械强度的应用，其断裂强度在50至90 MPa(7250–13100 psi)之间。当然，这个数字可能会有所不同，但制造商Ensinger Plastics表示PA6的断裂强度约为79 MPa，而PA11约为52 MPa，PA12约为53 MPa。

所有这些聚酰胺都因具有高抗冲击性、耐磨性和耐热性而受到认可。比较它们的特性，PA12可以算是“全能型”材料，结合了另外两种材料的优点，而PA11则以其柔韧性而脱颖而出。此外，后两者比PA6更容易打印。

PEEK

聚醚醚酮（PEEK）是一类高性能聚合物（HPP），以其卓越的机械性能和超强的强度而闻名，因此有时被拿来与金属相比。在断裂强度方面，PEEK甚至超过了一些工程聚合物，典型值在90到100 MPa(13053–14504 psi)之间。在丝状形式下，其压力可达110 MPa(15954 psi)，超过了一些有色合金。

除了优异的机械性能（拉伸强度、弯曲强度、硬度、冲击力）外，PEEK还具有极高的耐化学性。这些特性的组合使其成为航空航天、汽车、石油天然气和医疗行业等要求严苛的应用的理想选择。

PEEK长丝（图片来源：3D4Makers）

聚醚酮酮PEKK

工业3D打印中经常使用的另一种高性能聚合物是PEKK。聚醚酮酮(PEKK)与PEEK同属PAEK家族，但在很多方面有所不同，但其出色的机械抗性仍然相似。例如，Lynxter电线的断裂强度为105 MPa(15229 psi)，弯曲强度为95 MPa(13778 psi)，这些值接近PEEK。

PEKK的优势在于由于结晶速度较低，所以层间附着力更好。与PEEK相比，这使其在各个轴上都具有更好的抗拉强度。此外，与后者一样，它具有优异的耐化学性和耐热性，以及更好的抗弯强度。

ULTEM

在高性能聚合物（HPP）类别中，我们还发现了PEI，其品牌名称为ULTEM。这种长丝还具有高抗拉强度，尽管这取决于所用版本的不同。

ULTEM 9085因其高强度而备受青睐，其强度约为70 MPa(10153 psi)，但与PEKK和PEEK一样，根据长丝的不同，其强度最高可达110 MPa。

ULTEM的另一大优点是其出色的耐热性（最高可达180°C）以及高抗冲击性和优异的强度/重量比。然而，与其他HPP聚合物一样，它难以打印并且非常昂贵，这限制了它在工业应用中的使用。

复合材料：增强聚合物的强度

复合材料将多种成分结合在一起，以提高其机械强度、刚度、耐热性和耐用性。具体使用三种类型的纤维：

碳纤维（CF）

碳纤维是复合纤维中强度最高、价格最昂贵的。在3D打印中，其最终结果取决于许多因素，例如纤维的位置、纤维的密度和所使用的聚合物基质。

一些消息来源估计，纯碳纤维的抗拉强度约为4137 MPa(600,000 psi)。当然，这个值并不能完全转移到复合材料长丝上，但添加碳纤维通常会使材料强度提高约40%。

用碳纤维增强的3D打印部件（图片来源：Anisoprint

玻璃纤维

玻璃纤维是FDM 3D打印中最常用的复合材料之一。与其他纤维一样，它可以改善打印部件的机械性能，包括其柔韧性和抗损坏性。

但它的强度不如碳纤维。在纯状态下，玻璃纤维的断裂强度约为3450 MPa(500 380 psi)。该值对最终长丝的影响取决于复合材料的特性。

编译整理：3dnatives