Какие пластики для 3D-печати самые прочные?

Когда дело доходит до прочных деталей, одним из самых важных выборов, которые можно сделать, является тип материала. Хотя процесс, конечно, играет важную роль, используемый материал определяет многие характеристики конечного компонента. Но как узнать, какой из них выбрать? Какие материалы для 3D-печати самые прочные?

Во-первых, необходимо определить, что такое прочность. Хотя ее часто путают с долговечностью, это не совсем одно и то же. Прочность материалов, как определено в Encyclopedia Britannica, — это «способность материала противостоять механическим силам при использовании». Сюда входит ряд факторов, таких как сопротивление, деформация и растрескивание.

Существует множество различных способов проверки прочности, включая твердость, ударопрочность, прочность на сжатие, предел текучести, усталостную прочность и прочность на изгиб. Однако одним из наиболее используемых показателей для материалов является предел прочности на разрыв. Это максимальная нагрузка, которую материал может выдержать без разрушения при растяжении, т. е. какую нагрузку или силу натяжения он может выдержать, прежде чем он будет либо постоянно растянут, либо сломан.

Именно это мы будем учитывать при определении прочности различных материалов для 3D-печати, в частности, полимерных нитей для моделирования методом послойного наплавления как одного из наиболее популярных методов AM (аддитивных технологиях). Прочность на разрыв будет выражаться как в МПа (мегапаскалях), что является единицей давления для Международной системы единиц (СИ) и определяется как один ньютон на квадратный метр, так и в фунтах на квадратный дюйм (фунт на квадратный дюйм), более часто используемых в Соединенных Штатах. Следующий список организован на основе того, относится ли материал к стандартным, инженерным или композитным семействам.

Также важно помнить, что некоторые из материалов с самой высокой прочностью на разрыв на самом деле являются гибкими материалами, такими как TPU. В этом случае они не были включены, но, возможно, могли бы быть включены. Кроме того, механические свойства детали будут зависеть не только от материала, но и от условий печати, таких как используемая машина, параметры, окружающая среда. Эти числа служат скорее руководством для относительной прочности по сравнению между материалами, но следует учитывать и другие факторы.

Стандартные материалы: слабее, но доступнее

В общем, стандартные материалы не являются самыми прочными нитями для 3D-печати, поскольку обладают более низкими механическими свойствами. Это не означает, что нет тех, которые прочнее других. Среди стандартных материалов есть материалы, которые, хотя и не сопоставимы с инженерными или высокопроизводительными полимерами (HPP), все же имеют обманчиво высокую прочность на разрыв.

Возьмем, к примеру, PLA. Хотя его часто считают одним из самых слабых филаментов, особенно учитывая его деградацию под воздействием солнечного света, PLA имеет относительно высокую прочность на разрыв, варьирующуюся от 53 МПа до 59 МПа или в среднем около 548.4 килограмма на квадратный сантиметр. Сравните это с ABS, который часто считают прочным, прочность на разрыв которого составляет 34–36 МПа или около  323.412082 килограмма на квадратный сантиметр.

Однако здесь не рассматриваются прочность на изгиб и долговечность, где ABS на самом деле доминирует. PLA относительно хрупкий и имеет плохую ударопрочность, а также плохую термостойкость из-за температуры стеклования около 60°C. Между тем, ABS хвалят за его пластичность и более высокую термостойкость, оба из которых делают этот материал более подходящим для более требовательных деталей.

Напротив, PETG можно считать лучшим из обоих миров во многих случаях. Материал имеет прочность на разрыв 38–44 МПа и относительно высокую прочность на изгиб 75–59 МП, что делает его в этих отношениях прочнее, чем ABS, но с более низкой прочностью на разрыв и изгиб по сравнению с PLA. Печатать с PETG также проще, чем с ABS, аналогично PLA, благодаря хорошей текучести и отсутствию значительных внутренних напряжений, которые могли бы привести к чрезмерной деформации или расслоению слоев.

Инженерные и высокопроизводительные материалы: некоторые из самых прочных нитей для 3D-печати

Двигаясь от стандартных материалов, инженерные материалы, разработанные для большей прочности и используемые даже в промышленных приложениях, являются теми, где мы видим самые прочные нити для 3D-печати. ​​Существуют также «высокопроизводительные полимеры» (HPP), которые находятся на ступень выше, примечательные своими невероятными свойствами и способностью заменять металл в некоторых случаях. Давайте рассмотрим некоторые из них с самой высокой прочностью на разрыв ниже:

Поликарбонат (Polycarbonate)

Среди инженерных нитей поликарбонат (PC)) считается одним из самых прочных. Это достигается благодаря очень высокой прочности на разрыв, а также высокой ударопрочности и термостойкости. С точки зрения свойств прочность на разрыв обычно составляет около 60-70 МПа. Как это переводится? В ходе испытания, проведенного Airwolf3D из Калифорнии, инженеры обнаружили, что крюк из поликарбоната способен поднять 129 кг. Однако, хотя он чрезвычайно прочен, у него есть и другие недостатки. А именно, он может быть сложным для печати из-за высоких температур печати и склонности к деформации.

Нейлон (Nylon)

Нейлон, или полиамид, также хвалят за его прочность, хотя она различается в зависимости от используемого материала, в зависимости от количества присутствующих углеродных цепей. В 3D-печати используются PA6, PA11 и PA12, причем последние два часто встречаются с SLS. PA6 обычно используется с нитями, хотя и PA11, и PA12 также доступны, в том числе в виде композитов.

Все три полиамида обладают высокой ударопрочностью, являются жесткими и полугибкими. Однако из них PA6 наиболее ценится для применений, где требуется высокая механическая прочность с пределом прочности на разрыв в диапазоне 50–90 МПа. Конечно, это варьируется, но Ensinger Plastics отмечает, что у PA6 предел прочности на разрыв составляет около 79 МПа, тогда как у PA11 — около 52 МПа, а у PA12 — около 53 МПа.

Тем не менее, все они будут рассмотрены благодаря высокой ударопрочности, износостойкости и термостойкости. Если мы хотим сосредоточиться на полиамидах, отличных от PA6, PA12 можно считать более «универсальным» материалом, сочетающим в себе лучшее из двух других, в то время как PA11 хвалят за гибкость. Оба также легче поддаются печати.

PEEK

Полиэфирэфиркетон (PEEK) относится к категории «высокопроизводительных» полимеров, исключительных по своим превосходным характеристикам и прочности, настолько, что в некоторых случаях их даже сравнивают с металлом . С точки зрения прочности на разрыв ПЭЭК значительно выше, чем даже конструкционные полимеры, обычно около 90–100 МПа, хотя в форме нити он может достигать 110, таким образом превосходя некоторые цветные сплавы.

В дополнение к отличным механическим свойствам прочности, включая удлинение при растяжении и прочность на изгиб, а также высокую твердость и ударопрочность, материал обладает превосходными свойствами химической стойкости. Вместе они делают материал не просто прочным, но и идеальным для применения в некоторых из самых требовательных отраслей, таких как аэрокосмическая, автомобильная, нефтегазовая и медицинская.

PEKK

Другой HPP, обычно встречающийся в промышленных 3D-печатных приложениях, — это PEKK. Принадлежащий к тому же семейству PAEK, что и PEEK, PEKK или полиэфиркетонкетон, отличается от других во многих отношениях, но прочность не является одним из них. PEKK обладает исключительными механическими свойствами, включая высокую прочность на разрыв. Одна нить от Lynxter имеет прочность на разрыв 105 МПа и прочность на изгиб 95 МПа, что аналогично PEEK. Однако, где PEKK превосходит PEEK, так это в лучшей адгезии слоев из-за более низкой скорости кристаллизации. Это, в свою очередь, обеспечивает более высокую прочность на разрыв по каждой оси по сравнению с PEEK. Подобно PEEK, он также обладает высокой химической и термостойкостью, а также превосходной прочностью на изгиб.

Ultem

Завершая категорию HPP, у нас есть PEI, обычно называемый брендом Ultem. Этот филамент продолжает тенденцию к высокой прочности на разрыв, хотя это зависит от используемого филамента. ULTEM 9085 превосходит по высокой прочности, с прочностью на разрыв около 70 МПа, но который, как PEKK и PEEK, может достигать 110 МПа в зависимости от филамента. Ultem также обладает невероятной термостойкостью, достигающей 180 °C, наряду с высокой ударопрочностью и соотношением прочности к весу. Наряду с двумя другими высокопроизводительными полимерами в списке, недостатком является то, что его сложнее печатать, а также он чрезмерно дорог, за исключением более промышленных применений.

Композиты: придание прочности всем материалам

Композиты — это не один материал, а скорее категория, в которой два или более материалов объединяются, чтобы воспользоваться преимуществами обоих. Это включает в себя большую прочность наряду с жесткостью, термостойкостью и долговечностью. Сегодня на рынке представлено множество различных композитных нитей, включая некоторые из более уникальных материалов, таких как дерево, но когда дело доходит до прочности, есть три, которые действительно выделяются при добавлении в полимерную матрицу. В конце концов, это могут быть одни из самых прочных материалов для 3D-печати, хотя из-за повышенной анизотропии, уже присутствующей в FDM 3D-печати, при размещении композитных волокон она может резко отличаться между осями x, y и z.

Углеродное волокно /Carbon Fiber (CF)

Углеродное волокно является одновременно самым прочным и самым дорогим из трех различных композитных волокон и часто является тем, которое мы видим в 3D-печати. ​​Как и стекловолокно, здесь диапазон прочности на разрыв может быть довольно большим, поскольку он зависит не только от углеродного волокна, но и от его размещения, плотности, а также от материала полимерной матрицы. Однако некоторые источники обнаруживают, что само по себе углеродное волокно может иметь прочность на разрыв около 4137 МПа. Это не будет полностью передано в композитной нити, но регулярно обнаруживается, что прочность материала увеличивается примерно на 40% за счет добавления углеродного волокна.

Стекловолокно (СВ)/Glass Fiber (GF)

Стекловолокно, является одним из композитных волокон, часто используемых в FDM 3D-печати. ​​Как и два других, стекловолокно помогает улучшить механические свойства детали и особенно известно своей гибкостью и устойчивостью к повреждениям. При этом стекловолокно не такое «прочное», как углеродное волокно. Само по себе стекловолокно имеет прочность на разрыв около 3450 МПа, хотя воздействие, которое оно оказывает на саму нить, будет различаться в зависимости от различных характеристик материала.

Кевлар (Арамид)/Kevlar (Aramid)

Между тем, кевлар, наиболее известный своими пулеостанавливающими свойствами, снова находится где-то посередине. С прочностью на разрыв, которая находится между стекловолокном и углеродным волокном, и более низкой плотностью, чем у обоих, кевларовый арамид может быть полезен, когда важны вес, прочность и жесткость, а также устойчивость к повреждениям, усталости и разрыву под напряжением. Однако это самое слабое из трех композитных волокон, причем сам арамид имеет прочность на разрыв около 2757 МПа, что ниже, чем у углеродного волокна и стекловолокна.

Стоит отметить ряд нюансов.

Прочные пластики по прежнему дорогие, относительно того же petg цена обычно вырастает в 2-30 раз

Сложность печати на обычных принтерах, обычно требуется долгая сушка, активная термокамера, специальные сопла, как следствие цена у таких деталей резко вырастает.

Также стоит учитывать что не всеми прочными пластиками стоит печатать дома, без соответствующей вытяжки — улеродонаполненным пластиком например и рядом других.

В России существует ряд фирм которые производят популярные пластики и с каждым годом, производителей становится больше.

Также будет интересно:

PETG и PLA-филамент: основные различия

Сушим пластик для 3d принтера правильно

Роботизированные 3D-принтеры Orbital Composites: от небольших до бесконечно масштабируемых решений

Технологий 3д печати применяемые 2022 году

«Центр 3d печати и 3d сканирования Фидллер» готов предложить своим клиентам значительно более широкие возможности для реализации самых сложных задач — от 3д сканирования до серийной 3д печати различными материалами.

Находимся в Краснодаре.

Наши работы можно увидеть в группе вконтакте тут — https://vk.com/3d_krd_123

группа в телеграме — https://t.me/pechat3dkrd

Наш магазин — https://fidller.com/blog/

По всем вопросам можно связаться:

телеграм — https://t.me/fidller

почта — shope@fidller.com

телефон — +79531178495