Когда речь идет об изготовлении прочных деталей, одним из важнейших факторов выбора является используемый материал. Хотя процесс печати играет важную роль, именно материал в первую очередь определяет многие характеристики конечного изделия. Как узнать, какой из них выбрать? Какие материалы для 3D печати самые прочные?
Прочность материалов определяется как «способность материала противостоять механическим воздействиям при использовании». Сюда входит ряд факторов, таких как прочность на растяжение, деформация и растрескивание.
Существует множество способов оценки прочности материала, включая твердость, ударную вязкость, прочность на сжатие, предел текучести, усталостную прочность и прочность на изгиб. Однако одним из наиболее распространенных измерений является предел прочности на растяжение. Это соответствует максимальной нагрузке, которую материал может выдержать без разрушения при воздействии растягивающей силы. Другими словами, это сила, необходимая для постоянного растяжения или разрыва материала.
В этой статье мы сосредоточимся именно на этом аспекте. Также важно отметить, что некоторые материалы с самой высокой прочностью на разрыв на самом деле являются гибкими материалами, например, TPU, но они не включены в статью. Более того, механические свойства напечатанной детали зависят не только от материала, но и от условий печати, включая используемое оборудование, параметры и окружающую среду. Поэтому эти цифры служат в первую очередь ориентиром для сравнения относительной прочности различных материалов.
В целом, стандартные материалы не являются самыми прочными нитями для 3D печати, поскольку обладают более слабыми механическими свойствами. Однако это не означает, что некоторые из них не отличаются более высокой устойчивостью по сравнению с другими. Среди стандартных материалов некоторые хотя и не сопоставимы с техническими или высокоэффективными полимерами, тем не менее демонстрируют относительно высокую прочность на разрыв.
Например PLA. Этот материал часто воспринимается как один из самых хрупких, особенно из-за его чувствительности к ультрафиолетовому излучению, но тем не менее он обладает сравнительно высокой прочностью на разрыв. Оно варьируется от 53 МПа до 59 МПа.
Давайте сравним его с ABS, который часто считают прочным материалом: прочность последнего на разрыв составляет 34–36 МПа.
Однако это сравнение не учитывает прочность на изгиб и долговечность — две области, в которых ABS превосходит все остальные. PLA относительно хрупок, имеет низкую ударную вязкость и низкую термостойкость, температура стеклования составляет около 60°C. С другой стороны, ABS пластик отличается пластичностью и лучшей термостойкостью, что делает его более подходящим для деталей, подверженных механическим нагрузкам.
PETG сочетает в себе преимущества обоих материалов. Обладая прочностью на растяжение 38–44 МПа и высокой прочностью на изгиб (75–59 МПа), он прочнее, чем ABS, хотя и уступает PLA по жесткости. Кроме того, им легче печатать, чем ABS, что делает его хорошим компромиссом.
Инженерные и высокопроизводительные материалы
Технические материалы, разработанные с целью повышения прочности и пригодности для промышленного применения, являются одними из самых стойких нитей в 3D печати. Некоторые высокоэффективные полимеры даже превосходят по прочности конструкционные материалы и иногда используются в качестве замены металла.
Поликарбонат является одним из самых прочных волокон среди технических материалов благодаря высокой прочности на разрыв (60–70 МПа), превосходной ударопрочности и термостойкости. Однако печатать им сложнее из-за его высокой склонности к короблению.
Нейлон, или полиамид, также известен своей прочностью, хотя она варьируется в зависимости от химического состава, который зависит от количества атомов углерода, присутствующих в молекулярной цепи. В 3D печати в основном используются PA6, PA11 и PA12, причем последние два часто обрабатываются с помощью технологии SLS. PA6 обычно используется в форме нитей, хотя PA11 и PA12 также существуют в этой форме, иногда даже в виде композитов.
Эти три полиамида обладают превосходной ударопрочностью, будучи при этом прочными и полугибкими. Среди них PA6 является наиболее популярным для применений, требующих высокой механической прочности, с пределом прочности на разрыв от 50 до 90 МПа. Конечно, эта цифра может варьироваться, но производитель Ensinger Plastics утверждает, что прочность на разрыв PA6 составляет около 79 МПа, тогда как у PA11 — около 52 МПа, а у PA12 — около 53 МПа.
Все эти полиамиды известны своей высокой устойчивостью к ударам, износу и теплу. Сравнивая их характеристики, PA12 можно считать «универсальным» материалом, сочетающим в себе лучшее из двух других, в то время как PA11 выделяется своей гибкостью. Кроме того, последние два материала легче печатать, чем PA6.
Полиэфирэфиркетон (PEEK) — это класс высокоэффективных полимеров), известных своими исключительными механическими свойствами и высочайшей прочностью, настолько, что их иногда сравнивают с металлами. По прочности на разрыв PEEK даже превосходит некоторые конструкционные полимеры, типичное значение составляет от 90 до 100 МПа . В форме нити он может достигать 110 МПа, что превышает показатели некоторых цветных сплавов.
Помимо превосходных механических свойств (прочность на растяжение, прочность на изгиб, твердость, ударопрочность), PEEK также обладает очень высокой химической стойкостью. Такое сочетание характеристик делает его идеальным для сложных применений, включая аэрокосмическую, автомобильную, нефтегазовую и медицинскую промышленность.
Еще одним высокопроизводительным полимером, часто используемым в промышленной 3D печати, является PEKK. Полиэфиркетонкетон (PEKK) относится к тому же семейству, что и PEEK, и отличается от него несколькими характеристиками, но его исключительная механическая прочность остается схожей. Например, прочность на разрыв нити Lynxter составляет 105 МПа, а прочность на изгиб — 95 МПа, что близко к показателям PEEK.
Отличительной чертой PEKK является лучшая межслоевая адгезия благодаря более низкой скорости кристаллизации. Это обеспечивает лучшую прочность на растяжение по всем осям по сравнению с PEEK. Кроме того, как и последний, он обладает превосходной химической и термической стойкостью, а также лучшей прочностью на изгиб.
В категории высокопроизводительных полимеров мы также находим PEI, более известный под торговой маркой ULTEM. Эта нить также обладает высокой прочностью на разрыв, хотя она варьируется в зависимости от используемой версии.
ULTEM 9085 особенно ценится за свою высокую прочность, значение которой составляет около 70 МПа , но может, как и у PEKK и PEEK достигать 110 МПа в зависимости от нити.
Еще одним важным преимуществом ULTEM является его исключительная термостойкость, достигающая 180°C, а также высокая ударопрочность и превосходное соотношение прочности и веса. Однако, как и другие полимеры, им трудно печатать, и он очень дорогой, что ограничивает его применение промышленными приложениями.
Прочные материалы являются отличным выбором для большинства инженерных задач. Отличные механические характеристики позволяют использовать преимущества пластиков в изготовлении прототипов и конечных деталей.
В DigitalCraft3D мы печатаем разными материалами. Узнайте больше о возможностях производства и ассортименте доступных филаментов у менеджера DC3D!
