Если вам интересно узнать о самом прочном материале для печати, читайте дальше, чтобы узнать о самых прочных типах филаментов для 3D-принтеров!
3D-печать может быть увлекательным занятием, но иногда получаемые детали оказываются хрупкими и непригодными для использования по назначению. Часто это происходит из-за использования стандартных филаментов, которые не рассчитаны на прочность и выносливость.
Решение: Используйте прочные филаменты! Прочные филаменты расширяют возможности 3D-печати, поскольку вы можете печатать конечные детали для небольших проектов, не опасаясь, что они сломаются.
В этой статье мы рассмотрим четыре самых прочных типа филаментов, которые можно печатать на обычном 3D-принтере. Но прежде мы подробно расскажем о том, что такое прочность с точки зрения материалов. Мы также расскажем о еще нескольких вариантах изготовления очень прочных деталей для тех, кто готов пойти на дополнительные затраты.
Если вам нужна прочная отпечатаная деталь, но у вас нет возможности напечатать ее самостоятельно, воспользуйтесь нашими услугами info@3dspec.ru. Вы сможете заказать деталь из всех самых прочных филаментов (и других материалов) и быть уверенным в профессиональном качестве конечного продукта.
Давайте без лишних слов познакомимся с этими прочными филаментами.
Показатель прочность
Прочность филамента можно измерить различными факторами, но в этой статье мы будем использовать в основном показатель прочности на разрыв, а также упоминания об эластичном удлинении при разрыве. Прочность на разрыв указывает на сопротивление материала разрыву при растяжении с двух концов и полезна для оценки нагрузки или силы (в PSI или МПа), которую материал может выдержать до разрыва.
С другой стороны, удлинение при разрыве описывает, насколько материал растягивается (в % по отношению к первоначальной длине) перед разрывом, что дает нам представление о жесткости материала. Хотя может показаться, что растяжимость материала не имеет отношения к созданию прочных отпечатков, способность детали слегка изгибаться в ответ на приложенную силу, а затем возвращаться в исходную форму, не ломаясь, свидетельствует о хорошей ударопрочности, что очень важно в некоторых областях применения.
При проектировании деталей на прочность важно учитывать, как деталь должна реагировать на приложенную силу. Должна ли деталь быть абсолютно жесткой даже при сильном воздействии, или же она должна быть способна многократно изгибаться и при этом оставаться как новая? Ответ на этот вопрос поможет вам понять, какой материал лучше всего подойдет для вашей задачи.
В этой статье мы рассмотрим варианты прочных филаментов и то, как они показали себя в ходе механических испытаний. В некоторых исследованиях, о которых мы расскажем, использовались стандартные механические испытания, как показано на рисунке выше, но в других исследованиях для оценки прочности использовались «реальные» методы, а именно: крючки для 3D-печати и определение веса, который они могут выдержать до разрушения. Первый метод обычно отражается в отчетах TDS и имеет лучшую сопоставимость благодаря контролируемым условиям, но последние испытания могут дать нам представление о том, как деталь может справиться с более реалистичным и сложным сценарием нагрузки.
Также важно понимать, что сам филамент — не единственный элемент прочности напечатанной детали и что прочность материала может отличаться у разных производителей филамента. Более того, дизайн, параметры печати, ориентация и постобработка также влияют на прочность детали, поэтому обязательно учитывайте эти факторы, прежде чем нажимать кнопку «Печать».
PC (Поликарбонат)
По мнению многих разработчиков и экспертов, поликарбонат (ПК) считается самым прочным материалом. При правильной печати на соответствующем оборудовании из ПК могут получаться очень высокопрочные детали.
По показателям
Компания Airwolf 3D после многочисленных испытаний нитей пришла к выводу, что ПК — король нитей для настольных 3D-принтеров. Они смогли подвесить до 685 фунтов (311 кг) на крюк, напечатанный из ПК, и в ходе стандартных испытаний обнаружили, что материал имеет прочность на разрыв 9 800 PSI (67,5 МПа). В отличие от этого, та же деталь, напечатанная из PLA, могла выдержать только 285 фунтов (129 кг).
В тесте на прочность 3D-печатных карабинов, проведенном MatterHackers, PC также взял золото по сравнению с несколькими другими материалами, включая PLA, PETG, ABS и нейлон. Карабин из ПК смог выдержать 409 фунтов (186 кг), прежде чем сломаться, в то время как аналогичная модель из PLA смогла выдержать всего 154 фунта (70 кг).
Печать
Возможно, неудивительно, что поликарбонатные филаменты не очень легко печатаются и не могут справиться с выступами или мелкими деталями так, как это делают другие филаменты. В основном PC поставляется в прозрачном, черном или белом вариантах, что подчеркивает, что этот не требующий особых затрат материал предназначен для функциональных конечных деталей.
По данным Simplify3D, он обладает отличной термостойкостью и ударопрочностью, а температура стеклования составляет 150 °C. Отчасти его прочность обусловлена способностью слегка изгибаться, не ломаясь, хотя он не обязательно растягивается. Кроме того, вам придется печатать на нем при высоких температурах, поэтому убедитесь, что у вас закрытый принтер и цельнометаллический хотенд.
Плюсы: Очень прочный, термостойкий до ~100 °C, долговечный
Минусы: плохо передает детали, требуется корпус и цельнометаллический хотенд, ограниченное количество цветов.
Филамент
Компания Polymaker известна производством различных специализированных филаментов, среди которых PolyLite PC является фаворитом среди поклонников. Как часть семейства филаментов PolyLite, этот вариант заявляет об исключительной пригодности к печати по сравнению с поликарбонатами. Рекомендуемая температура печати PolyLite PC составляет 250-270 °C, а для больших отпечатков требуется корпус. Отзывы сходятся в том, что этот филамент обладает всеми желаемыми характеристиками обычного поликарбоната, но при этом легче печатается, хотя иногда и деформируется.
- Прочность на разрыв: 69,1 МПа (в направлении XY)
- Удлинение до разрыва: 4,8% (XY-направление)
- Цена за кг: ~2500 руб.
Nylon (Нейлон)
Далее у нас нейлон, еще один популярный выбор прочного материала для 3D-принтеров. Нейлон уступает по прочности поликарбонату, но все же обходит всех конкурентов, таких как PLA и ABS.
Существует несколько видов нейлона, каждый из которых имеет немного разные свойства и области применения. Чаще всего в 3D-печати используются нейлоны 6, 66 и 12. По данным Polymaker, нейлон 6 имеет более низкую температуру плавления и легче всего поддается обработке, нейлон 66 отлично выдерживает нагрев и истирание, а нейлон 12 прочен и наиболее устойчив к поглощению влаги, что делает его свойства стабильными в течение долгого времени.
По показателям
В тестах на прочность, проведенных Airwolf 3D, крюк, напечатанный из нейлонового волокна Alloy 910 компании Taulman (не содержащего добавок и волокон), выдерживает вес до 220 кг. — на 90 килограмм меньше, чем PC и на 90 килограмм больше, чем PLA. В стандартном испытании на растяжение эта же нить показала прочность на разрыв 7 000 PSI (48 МПа), что впечатляет по сравнению с прочностью на разрыв ABS в 4 700 PSI (32 МПа) при тех же условиях.
MatterHackers обнаружила аналогичные результаты с крюком, напечатанным из филамента NylonX, который в среднем выдерживал 165 килограмм до разрыва, что лишь немного меньше, чем у протестированного крюка из PC. Естественно, нейлон с добавлением стекла или углеродного волокна значительно повышает прочность. Другой источник, Simplify3D, утверждает, что предел прочности нейлона на разрыв обычно составляет 40-85 МПа, и оценивает его как 10/10 по прочности, наравне с ПК.
Печать
Нейлоном немного легче печатать, чем ПК, но этот материал все равно не PLA. Нейлоновый материал довольно гигроскопичен, поэтому перед печатью его необходимо высушить, а в идеале — хранить в сухом боксе. Этот материал склонен к небольшой деформации и плохому прилипанию к столу, но печать в корпусе может помочь смягчить проблему. Он также требует несколько высокой температуры печати, обычно в диапазоне 220-270 °C.
Плюсы: Устойчивость к ударам и усталости, термостойкость до ~80 °C, легче печатать, чем на PC.
Минусы: гигроскопичен, деформируется, требует высокой температуры сопла
Филамент
Если вы ищете прочный нейлон, обратите внимание на PA66 от Bestfilament (теперь Xtellar). Этот материал может стоить недешево, но его свойства оправдывают затраты. Этот материал требует температуры сопла 250-255° и может потребовать некоторого вспомогательного средства для приклеивания, например, клейстера. Производители сообщают, что этот филамент соответствует заявленной прочности, а также имеет хорошую поверхность.
- Прочность на разрыв: 56 МПа (направление не указано)
- Удлинение до разрыва: 31% (направление не указано)
- Цена за кг: ~ 3000 руб.
TPU
Третий в нашем списке — термопластичный полиуретан (TPU), гибкий филамент, который можно считать прочным, поскольку он очень устойчив к разрывам. Хотя филаменты TPU не обладают такой прочностью на разрыв, как PC и нейлон, этот материал попал в наш список за то, что он чрезвычайно ударопрочен, что объясняется природной гибкостью и упругостью пластика. Существует множество вариантов, различающихся по жесткости и назначению.
По показателям
Хотя гибкость TPU не позволяет использовать его для жестких деталей, таких как крюк, его способность растягиваться до разрушения больше, чем у любого другого материала в этом списке. В стандартных испытаниях на растяжение, проведенных Airwolf 3D с использованием их TPU Wolfblend, который имеет твердость по Шору 87A, TPU растянулся на 909% от своей первоначальной длины, прежде чем порвался! Это в 60 раз больше, чем у PLA, и примерно в 30 раз больше, чем может растянуться нейлон.
Исследование, посвященное использованию 3D-печати из ТПУ в медицине, показало аналогичные результаты при использовании ТПУ медицинского класса с твердостью по Шору 95A, продемонстрировав 702 % удлинения при разрыве. Исследователи также отметили, что такое удлинение делает TPU одним из самых прочных материалов для 3D-печати FDM.
Его прочность на разрыв, которая больше указывает на силу, которую материал может выдержать до растяжения, составила 3450 PSI (23,8 МПа) — примерно в два раза меньше, чем у нейлона в исследовании Airwolf.
Печать
Гибкие филаменты, в том числе TPU, печатать очень сложно, поскольку филамент может растягиваться, когда экструдер пытается его захватить и вытянуть, особенно в установках Боудена. Рекомендуется печатать TPU с помощью экструдера с прямым приводом, так как расстояние между двигателями и хотендом меньше. Однако стоит отметить, что многие пользователи успешно работают с обеими системами экструдеров при правильных настройках.
Что касается температурных требований TPU, то они не слишком отличаются от стандартных материалов для печати, таких как PLA и PETG. Только учтите, что TPU, как и нейлон, несколько гигроскопичен, поэтому постарайтесь найти герметичный контейнер для хранения нитей TPU.
Плюсы: Ударопрочность, гибкость, стандартные температурные требования
Минусы: недостаточная жесткость, лучше всего работает с экструдерами с прямым приводом, низкая скорость печати
Филамент
TPU Wolfbend поставляется компанией Airwolf, которая провела многие из вышеупомянутых испытаний. Твердость по Шору 87A указывает на хороший баланс структурной целостности и гибкости, сравнимый с резиной. Температура печати высока по сравнению с другими TPU филаментами, 230-245 °C, но необходимая температура стола составляет легко достижимые 40-60 °C.
- Прочность на разрыв: 23,8 МПа (в направлении XY)
- Растяжение до разрыва: 909% (XY-направление)
- Цена за кг: ~ 3000 руб.
Композитный филамент
Наконец, композитные филаменты, хотя и не являются цельным материалом, могут быть чрезвычайно прочными. Композиты — это материалы с определенными добавками, которые влияют на свойства филамента, повышая его прочность. Если говорить о прочности композитов, то наиболее распространенными добавками являются стекловолокно и углеродное волокно, которые обычно смешивают с нейлоном, но существуют и другие композитные филаменты.
Из-за огромного разнообразия материалов и содержания наполнителей мы не можем точно сказать, в каком положении находятся композитные филаменты по сравнению с предыдущими материалами. Как правило, добавление волокон в материал увеличивает его жесткость и прочность на разрыв, естественно, в ущерб гибкости и цене филамента. Стекловолокно обычно дешевле углеродного волокна, но менее эффективно в плане повышения прочности.
Имейте в виду, что композитные филаменты из углеродного волокна отличаются от некоторых готовых материалов, армированных углеродным волокном, тем, что волокна, встроенные в филамент, измельчены, а не представляют собой длинный филамент для удобства печати. Однако компания Markforged делает первые интересные шаги на пути к непрерывной печати волокнами, которые потенциально могут быть прочнее алюминия.
По показателям
В качестве примера мы возьмем нейлоновые филаменты с добавлением углеродного волокна и нейлоновые филаменты с добавлением стекловолокна.
Согласно стандартному исследованию механических свойств, проведенному компанией Markforged, нейлон, нейлон с микронаполнителем из углеродного волокна (Onyx) и непрерывные нейлоновые филаменты с углеродным волокном имеют прочность на разрыв 51 МПа, 40 МПа и 800 МПа, соответственно. Хотя прочность Onyx была ниже, чем у чистого нейлона, примечательно, что температура теплового деформирования (т.е. максимальная рабочая температура) увеличилась с 41°C до 145°C при добавлении микроуглеродного волокна.
В том же исследовании компания Markforged сообщила, что ее непрерывный композитный нейлон из стекловолокна имеет прочность на разрыв 590 МПа — слабее, чем углеродное волокно, но гораздо прочнее, чем любой чистый пластик. С другой стороны, удлинение при разрыве микроуглеродного волокна, непрерывного углеродного волокна и стекловолокна составило 25 %, 1,5 % и 3,8 % соответственно по сравнению с 36 % у чистого нейлона, так что не стоит ожидать от этих композитных материалов большой отдачи.
Печать
Композитные материалы различаются по способу печати, но, как правило, они относительно похожи на свой основной материал. Прочные композитные нити, как правило, основаны на нейлоне, поэтому печатать придется при довольно высоких температурах. Также рекомендуется заменить сопло на более прочное стальное размером 0,6 мм, так как нити обычно абразивны и склонны к засорению.
Плюсы: Повышенная прочность, улучшенная термостойкость
Минусы: Требуются высокие температуры печати и стальное сопло, сниженная гибкость, дороговизна
Филамент
Компания Raise3D производит филамент под названием Industrial PA12 CF+, представляющий собой нейлон 612 (сочетание нейлона 6 и 12) с 15 % короткого углеродного волокна для повышения прочности и жесткости. Поскольку филамент заполнен волокнами, рекомендуется использовать стальное сопло, чтобы избежать чрезмерного износа, влияющего на точность размеров отпечатков. Для достижения максимальных механических характеристик напечатанные детали можно отжигать в печи при температуре 80-100°C в течение 8-12 часов, в зависимости от размера модели.
- Прочность на разрыв: 86 МПа (в направлении XY)
- Удлинение до разрыва: 2,8% (XY-направление)
- Цена за кг: ~ 5000 руб.
