如何以及為何閱讀3D打印線材技術(shù)數(shù)據(jù)表？

魔猴君  知識(shí)堂   77天前

如今，用于3D打印的塑料種類比以往任何時(shí)候都多。隨著塑料種類逐年增加，區(qū)分各種線材類型以及它們的最佳用途變得愈加困難。

PLA可能適用于大多數(shù)消費(fèi)應(yīng)用，但如果您需要更堅(jiān)固或更柔韌的材料，該怎么辦？另一方面，碳纖維尼龍可能涵蓋大部分工業(yè)應(yīng)用，但如果您需要更高的抗沖擊性或?qū)O端溫度的耐受性，該怎么辦？

要找到答案，可以從一個(gè)地方開始：材料技術(shù)數(shù)據(jù)表或TDS。這些文檔通?？蓮慕?jīng)銷商或3D打印服務(wù)商索要，它們與特定線材相對(duì)應(yīng)，并列出了用該線材制成的樣品部件在幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中的表現(xiàn)，包括強(qiáng)度、柔韌性和其他對(duì)最終部件很重要的機(jī)械特性。

大家所要做的就是比較TDS，然后您就會(huì)清楚地知道哪種材料是更好的選擇。

線材樣品的拉伸強(qiáng)度測(cè)試（來源：Ultimaker）

不幸的是，材料制造商使用不同的方法來測(cè)量特性。同一事物有不同的術(shù)語、不同的國(guó)際測(cè)試方法（ISO、ASTM等）、不同的測(cè)量單位、不同的引用結(jié)果（最大值、平均值等）以及一系列其他變化，使得直接的規(guī)格表比較幾乎不可能。

本文魔猴網(wǎng)將和大家一起學(xué)習(xí)了解一些技巧可以幫助您理解TDS以及特定聚合物的機(jī)械特性。

首先了解TDS中詳述的以下材料強(qiáng)度和柔韌性概念，以及它們與最終打印所需的特性之間的關(guān)系，將有助于您做出更準(zhǔn)確的材料選擇。

一、線材強(qiáng)度及其測(cè)量方法

廣泛了解最常用的3D打印聚合物細(xì)絲的抗拉強(qiáng)度比較（來源：All3DP）

強(qiáng)度有多種科學(xué)測(cè)量方法。您通常會(huì)在線材技術(shù)規(guī)格表上找到至少三種：

抗拉強(qiáng)度

抗彎強(qiáng)度

沖擊強(qiáng)度

什么是抗拉強(qiáng)度？

抗拉強(qiáng)度（也稱為極限抗拉強(qiáng)度、斷裂抗拉強(qiáng)度、極限強(qiáng)度，Ftu）是指材料在斷裂前被拉開時(shí)可以承受的張力或應(yīng)力。測(cè)試抗拉強(qiáng)度實(shí)際上是將材料放入類似虎鉗的機(jī)器中，然后沿相反方向拉動(dòng)。

從更實(shí)際的角度來說，這個(gè)測(cè)量值與部件斷裂的速度或脆性有關(guān)。更高的抗拉強(qiáng)度意味著材料在斷裂前可以承受更大的力。作為參考，PLA線材的抗拉強(qiáng)度約為30 MPa，碳纖維尼龍的抗拉強(qiáng)度約為100 MPa，不銹鋼的抗拉強(qiáng)度為860 MPa。

3D打印部件的拉伸強(qiáng)度和許多其他特性取決于部件是沿著層線拉伸還是跨層線拉伸（詳細(xì)信息見下文），因此您可能會(huì)在TDS中看到兩到三個(gè)拉伸強(qiáng)度測(cè)量值。

報(bào)告的抗拉強(qiáng)度值可能是平均值、典型值或極限值（即最大值）。它可能是屈服值或斷裂值。許多技術(shù)數(shù)據(jù)表的問題在于它們沒有標(biāo)明列出的是哪個(gè)值。

廣泛了解最常用的3D打印聚合物細(xì)絲的抗彎強(qiáng)度（來源：All3DP）

什么是抗彎強(qiáng)度？

此屬性（也稱為屈服強(qiáng)度、斷裂模量或彎曲強(qiáng)度）是指材料在不斷裂的情況下可以彎曲或彎曲的程度。（不要將其與彎曲模量混淆，后者是材料抵抗彎曲的程度。）彎曲強(qiáng)度是材料在承受負(fù)載（導(dǎo)致其彎曲而不是壓縮或拉伸）的應(yīng)用中的重要屬性。對(duì)于在必須支撐負(fù)載而不彎曲的應(yīng)用中使用的材料（例如支架、掛鉤和其他結(jié)構(gòu)部件），它是至關(guān)重要的屬性。

在典型的彎曲試驗(yàn)中，將樣品（通常為矩形梁形狀）放置在兩個(gè)支撐物上，并對(duì)梁的中心施加力，直到其彎曲或斷裂。在常用的3D打印聚合物細(xì)絲中，PEEK、PEI及其碳纖維增強(qiáng)尼龍通常具有最高的彎曲強(qiáng)度。

廣泛了解最常用的3D打印聚合物細(xì)絲的沖擊強(qiáng)度比較（來源：All3DP）

什么是沖擊強(qiáng)度？

沖擊強(qiáng)度（也稱為伊佐德沖擊強(qiáng)度或夏比沖擊強(qiáng)度，通常稱為韌性）是指部件在掉落時(shí)破碎的程度，或當(dāng)突然受到力時(shí)部件抵抗破裂的能力。這些力的測(cè)量單位可以是焦耳/平方米(J/m2)或英尺磅/平方英寸(ft·lb/in2)。

沖擊強(qiáng)度表示聚合物在受到高速或高強(qiáng)度碰撞時(shí)，在發(fā)生斷裂前可以吸收多少能量。該特性對(duì)于確定聚合物的耐久性和韌性非常重要，尤其是在材料可能受到?jīng)_擊、跌落或動(dòng)態(tài)力的應(yīng)用中，例如運(yùn)動(dòng)器材或汽車零件。

聚碳酸酯（PC）和ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）是兩種常見的高沖擊強(qiáng)度線材。

平放、直立或邊緣

在3D打印中，由于該工藝的逐層性質(zhì)，打印部件的方向會(huì)影響其機(jī)械性能，包括抗拉強(qiáng)度。這就是為什么根據(jù)樣品的打印方向，通常有三種不同的抗拉強(qiáng)度測(cè)量方法：

平面XY方向（或X）：這是指沿部件長(zhǎng)度測(cè)量的抗拉強(qiáng)度，與構(gòu)建板平行。在此方向上，各層水平堆疊，因此材料的強(qiáng)度主要受材料沿部件長(zhǎng)度的沉積和粘合程度影響。

邊緣XZ方向（或橫向）：測(cè)量沿部件寬度的拉伸強(qiáng)度，也平行于構(gòu)建板但垂直于X軸。與X方向類似，此方向的強(qiáng)度取決于每層中相鄰擠壓件之間的粘合。

直立ZX方向（或垂直）：測(cè)量沿部件高度（垂直于構(gòu)建板）的拉伸強(qiáng)度。在此方向上，材料的強(qiáng)度主要受層間粘合的影響，這種粘合通常比平面粘合（X或Y方向）弱。因此，與X和Y方向相比，Z方向的拉伸強(qiáng)度往往較低。

三種強(qiáng)度測(cè)量反映了3D打印部件的各向異性，這意味著機(jī)械性能在各個(gè)方向上并不相同。了解方向相關(guān)強(qiáng)度有助于設(shè)計(jì)出足夠堅(jiān)固以適應(yīng)預(yù)期用途的部件，尤其是涉及承重或高應(yīng)力部件時(shí)。不幸的是，一些技術(shù)數(shù)據(jù)表只提供一個(gè)數(shù)字，而且通常不會(huì)透露該值代表哪個(gè)方向。

二、線材柔韌性及其測(cè)量方法

ColorFabb品牌Varioshore TPU線材可以根據(jù)您的打印設(shè)置生產(chǎn)具有不同靈活性的部件（來源：ColorFabb）

如果您需要最終部件具有一定程度的靈活性，您需要注意靈活性的幾個(gè)關(guān)鍵測(cè)量指標(biāo)：

彎曲模量

楊氏模量

硬度

斷裂伸長(zhǎng)率

什么是彎曲模量？

彎曲模量（也稱為彎曲模量）是材料抵抗彎曲的趨勢(shì)，換句話說，就是其剛度。高彎曲模量意味著材料不太柔韌。例如，大多數(shù)碳纖維增強(qiáng)PA12都是剛性的，最大彎曲模量約為14 Gpa。另一方面，柔性PA 11的彎曲模量為0.65。請(qǐng)注意，您會(huì)看到彎曲模量以兆帕(MPa)或吉帕(GPa，即MPa乘以1,000)表示。

廣泛了解最常用的3D打印聚合物細(xì)絲在彈性方面的比較（來源：All3DP）

楊氏模量是什么？

楊氏模量（也稱為彈性、拉伸模量、壓縮模量或彈性模量）用于評(píng)估材料的彈性，即材料變形與變形所需功率之間的比率。例如，典型的TPU線材的楊氏模量約為50 MPa（非常有彈性），而大多數(shù)PEEK線材的楊氏模量為4,000 MPa（無彈性）。

什么是肖氏硬度？

對(duì)于聚合物線材而言，硬度似乎是一個(gè)模糊的術(shù)語。它可以指抗劃傷性、耐磨性和耐磨性，或部件的抗凹陷能力。塑料的硬度通常以洛氏硬度或肖氏硬度表示，這與材料的強(qiáng)度或柔韌性關(guān)系不大。

肖氏硬度是您在談到聚合物時(shí)經(jīng)常聽到的一個(gè)術(shù)語，但它比迄今為止涵蓋的測(cè)量值更通用。例如，所有彈性體和柔性線材（如TPU）的硬度均為肖氏A，并且在A類中，它們具有單獨(dú)的值，例如肖氏硬度95A。相比之下，ABS的硬度為肖氏D，許多材料制造商聚合物不會(huì)費(fèi)心列出完全不具柔性的材料的肖氏值。

斷裂伸長(zhǎng)率是什么？

雖然它不是最有用的柔韌性測(cè)量方法，但卻是最容易想象的。當(dāng)一種材料的斷裂伸長(zhǎng)率為4%時(shí)，你可以想象你的支架在負(fù)載下從水平彎曲4%（典型的ABS值）才會(huì)斷裂，而尼龍的斷裂伸長(zhǎng)率為120%，這意味著它在斷裂前會(huì)彎曲得更多。

該指標(biāo)通常以材料原始長(zhǎng)度的百分比表示。百分比高意味著部件在斷裂前可以承受較大的拉伸或變形，非常適合需要柔韌性、韌性或抗沖擊性的應(yīng)用。

三、沒有一個(gè)測(cè)量結(jié)果能夠說明全部情況

ABS性能概覽圖（來源：fiberlogy.com）和Solvay線材性能比較圖（來源：Solvay）

拉伸強(qiáng)度是評(píng)估自行車架支架中聚合物性能的重要指標(biāo)，但它本身可能不是最好的衡量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)支架所承受的力，您需要考慮一組材料特性。

除了抗拉強(qiáng)度外，自行車支架的最佳材料還應(yīng)具有高抗彎強(qiáng)度，而抗沖擊強(qiáng)度則不太重要。

為了說明上述某些屬性及其相互關(guān)系，一些材料制造商已開始使用蜘蛛網(wǎng)狀的關(guān)鍵屬性圖表來為您提供一目了然的摘要。這些圖表是線材主要特征相互關(guān)系的有用快照。

不幸的是，沒有兩家制造商選擇相同的六種或七種線材屬性或以相同的順序顯示它們，因此它們對(duì)于比較不同品牌的各種線材不是很有用。

編譯整理：ALL3DP