Какая нить для 3D-принтера самая прочная? Экспертное руководство по долговечности и производительности

Принтеры серии FDM/FFF (моделирование осаждением нитей/изготовление плавленых нитей) создают детали, используя пряди пластикового сырья, известные как нити. Пластик плавится и экструдируется для создания 3D-модели. Существует несколько типов нитей для 3D-принтеров, которые известны своей прочностью и долговечностью. Однако ваше определение самого прочного зависит от конкретного применения и требований печатной детали. 

Существует две основные интерпретации понятия «прочность», которые можно применить к растягивающим свойствам нитей 3D-принтера. Они зависят от возможной растягивающей нагрузки готовой детали. 

В одном случае деталь нагружается в направлении, совпадающем с нитями. В этом случае высокая прочность на разрыв исходной нити также приведет к хорошей прочности на разрыв готового изделия. 

Другой случай возникает, когда деталь загружается перпендикулярно слоям печати. На этом этапе «самая прочная трехмерная нить» становится выражением силы адгезии между соседними соединенными нитями, а не собственной прочностью нити. Последняя ситуация приводит к определению, в котором вопрос прочности рассматривается как «какая нить соединяется наиболее надежно». 

Оба этих свойства нити (наряду с другими) имеют решающее значение, если вы хотите создавать модели с высокой упругостью, устойчивостью к изгибу и истиранию. Вы должны сбалансировать требования в окончательной сборке, ориентируясь на прочность на растяжение, прочность на изгиб, твердость при износе, ударную вязкость и многое другое. Каждый тип нити может дать вашим моделям разные преимущества, но ни один из них не подойдет для всех ситуаций. Помните также, что ваш принтер может не принимать все возможные строительные материалы, а некоторые нити имеют больше конструктивных ограничений, чем другие. И независимо от того, какой тип вы выберете, свойства конечного продукта будут во многом зависеть от качества дизайна и вашего подхода к принципам проектирования для производства (DFM).

В этой статье будут рассмотрены несколько нитей для 3D-печати, которые, как считается, обладают сбалансированными свойствами, а также рассмотрены некоторые концепции, которые вам необходимо учитывать при их проектировании. 

Какие типы нитей для 3D-принтеров?

Нити FDM/FFF изготавливаются из многих материалов с еще более широким спектром добавок, которые улучшают определенные свойства, такие как:стойкость к истиранию, прочность на разрыв и ударная вязкость при изгибе. Ниже приведены основные материалы нитей, которые, как считается, обеспечивают высочайшую прочность, вязкость и долговечность в моделях, напечатанных на 3D-принтере:

1. Поликарбонат

Нити из поликарбоната (ПК) производят модели высокой прочности, вязкости и термостойкости. В осевом направлении нить имеет предел прочности на разрыв 66 МПа. К его преимуществам относятся:высокая прочность, термостойкость и оптическая прозрачность. С другой стороны, на ПК сложно печатать, и он имеет плохую склонность к впитыванию влаги. ПК стоит $70-200 за кг диаметром 1,75 мм. Для получения дополнительной информации см. наше руководство «Что такое поликарбонат?»

2. Нейлон

Модели, изготовленные из нейлоновой нити, известны своей прочностью и износостойкостью. Материал имеет предел прочности 50-90 МПа в зависимости от марки. Нейлон — прочный и недорогой материал. Однако печатать качественные модели может быть сложно, и материал сильно ослабевает, когда содержание влаги в нем падает слишком низко. Нейлон можно купить по цене 40-100 долларов за кг диаметром 1,75 мм. Для получения дополнительной информации см. наше руководство «Все о нейлоновой нити для 3D-печати».

3. ТПУ

Из термопластичного полиуретана (ТПУ) изготавливаются очень прочные и эластичные изделия, способные выдерживать значительные удары и истиранию. Присущая ему эластичность делает этот материал «прочным» во многих отношениях. ТПУ имеет предел прочности 50 МПа. Проблема в том, что он может легко засорить сопла принтера и его приходится печатать медленно. ТПУ стоит 30-60 долларов за кг при диаметре 1,75 мм. Для получения дополнительной информации см. наше руководство по термопластичному полиуретану, машиностроение (ETPU).

Что подразумевается под прочностью на разрыв нити 3D-принтера?

Предел прочности нити для 3D-печати описывает максимальную растягивающую нагрузку, которую может выдержать нить, прежде чем она либо сломается, либо подвергнется постоянному (неэластичному и невосстановимому) растяжению. Термопластичные полимеры, например те, которые используются в печати FDM/FFF, имеют пределы нагрузки при эластичном растяжении. Когда нагрузка ниже предела упругости нити, она вернется к исходным размерам после снятия нагрузки. При превышении напряжения упругой нагрузки происходит необратимая деформация или разрушение.

Что подразумевается под ударной вязкостью нити 3D-принтера?

Ударопрочность нити для 3D-печати — это мера реакции нити на внезапный удар или ударную нагрузку. Прочный материал должен поглощать энергию удара и деформироваться, не разрушаясь. Это важное свойство, например, для материалов, используемых в механических деталях, игрушках и защитном снаряжении.

Следует отметить, что ударопрочность изделия, напечатанного на 3D-принтере, определяется не только отдельной нитью. Такие факторы, как:направление сборки относительно удара, конструкция/плотность «внутреннего» решетчатого заполнения и сплавление слоев нитей, также влияют на его производительность. Во многих случаях эти факторы в совокупности будут более значимыми, чем ударные характеристики необработанной нити. 

Какие еще показатели прочности используются для нитей для 3D-принтеров?

Нити для принтера обладают и другими прочностными свойствами, которые могут иметь решающее значение для процесса проектирования. Существуют также свойства сохранения прочности, которые следует учитывать в этом анализе. Хотя это могут быть свойства нити, полезнее рассматривать их как свойства модели. , созданный с использованием типа нити . Эти показатели силы перечислены ниже:

1. Прочность на изгиб: Измеряет устойчивость нити или модели к разрушению или необратимой деформации при воздействии изгибающей силы. 
2. Удлинение при разрыве: Измеряет способность нити или модели противостоять разрушению при постоянных растягивающих нагрузках, подвергаясь постоянной (неупругой) деформации при увеличении нагрузки. Когда в конечном итоге произойдет перелом, пластическую деформацию можно будет измерить по обе стороны от перелома.
3. Прочность на сдвиг: Измеряет способность материала или модели противостоять разрушению или деформации при сдвиговой нагрузке. Прочность на сдвиг объемного материала лишь незначительно связана с прочностью на сдвиг напечатанной детали. Ситуации сдвигающей нагрузки часто бывают сложными и не представляют собой чистый сдвиг материала. Это делает реальные результаты испытаний гораздо более зависимыми от ориентации печати, конструкции детали и сценариев нагрузки, чем от основных свойств нити.
4. Прочность при сжатии: Измеряет способность нити или модели противостоять силам, сжимающим или раздавливающим ее. Это отличается от склонности модели к изгибу в целом при сжатии — ситуации, которая вместо этого зависит от устойчивости к изгибу. В действительности прочность нити на сжатие будет лишь незначительно соответствовать прочности 3D-печати, если только отпечаток не является прочным и чрезвычайно простым с точки зрения поперечного сечения. 
5. Устойчивость к истиранию: Измеряет сопротивление поверхности модели нити разрушению в результате раскалывания или шлифовки при неоднократном истирании таким же твердым (или более твердым) материалом.
6. Усталостная устойчивость: Определяет устойчивость материала к циклической нагрузке, приближающейся к его физическим пределам. Скорость деформации, время восстановления и общее количество циклов такой нагрузки могут отрицательно повлиять на материал. Это может быть функцией направления сборки и других параметров сборки, а также ключевых свойств самого материала. 
7. Прочность на разрыв: Измеряет способность нити и модели сопротивляться разрыву. Это будет функция печати параметров, когда разрыв расположен вдоль плоскостей слоев. Только когда разрыв происходит в осевом направлении нити, эта прочность полностью зависит от внутренних свойств материала. Разрыв и сдвиг — тесно связанные способы.
8. Теплостойкость: Определяет способность модели сохранять другие свойства при повышении температуры. Если полимер имеет высокую температуру стеклования, он выдержит более высокие температуры использования, прежде чем ослабнет.
9. Сопротивление ползанию: Определяет способность модели сохранять стабильность размеров при постоянной нагрузке, продолжающейся в течение длительного периода времени.
10. Химическая устойчивость: Определяет способность материала сохранять свои свойства при воздействии агрессивных химикатов, таких как растворители, кислоты и основания, или в таких условиях, как воздействие ультрафиолета. 

Некоторые из вышеперечисленных параметров тесно связаны с основными свойствами материала нити, в то время как другие чрезвычайно зависят от дизайна и конфигурации печатного изделия. 

Что такое нить для 3D-принтеров?

Нить для 3D-принтера — это полимерное сырье, которое подается через экструдер принтера и расплавляется для создания печатных моделей. Это сырье может представлять собой любой полимер из ряда и может содержать другие добавки, изменяющие свойства полимера. Сырье для нитей поставляется в готовых к установке рулонах, которые подают материал в экструдер из фиксированного положения через направляющую. Нить захватывается механизмом подачи, состоящим из шестерен или прижимных колес, которые вытягивают ее из катушки и при необходимости проталкивают через нагретое сопло экструдера.

Что такое высокоэффективный полимер?

Высокоэффективные полимеры отличаются от более простых материалов рядом возможных характеристик материала. Высокопроизводительные материалы обычно превосходят хотя бы одну из этих характеристик: 

1. Прочность на растяжение
2. Прочность на сдвиг
3. Прочность на изгиб
4. Температурный предел, при котором свойства начинают ухудшаться
5. Химическая устойчивость
6. Износостойкость
7. Сопротивление ползучести
8. Эластичность

Что такое композитная нить?

Композитные нити для FDM/FFF представляют собой нити для 3D-печати, которые включают добавки в основной полимер. Добавки, такие как древесное волокно, металлические порошки, углеродное или кевларовое волокно и многие другие материалы, используются для улучшения определенных свойств основных и высокоэффективных печатных полимеров. Композиты предназначены для улучшения свойств или функциональности по сравнению с чистыми полимерами. 

Древесные волокна круглого сечения и гладкой поверхности улучшают прочность, жесткость и плотность печатных деталей. Кевлар®, углеродное волокно или нити, наполненные графеном, обычно обладают превосходной прочностью, ударной вязкостью и жесткостью. В достаточно больших пропорциях графен может даже сделать материал электропроводным. Нити, содержащие порошки бронзы, меди и нержавеющей стали, не обеспечивают повышенной прочности, но могут создавать внешний вид, напоминающий металл. Композитные нити позволяют изменять одно или несколько свойств деталей, напечатанных на 3D-принтере, но существуют проблемы с печатью, из-за которых такие материалы могут быть затруднительны для использования в более простых машинах.

Какую самую прочную нить для 3D-принтера я могу выбрать?

Выбор самой прочной нити для 3D-принтера будет зависеть от таких особенностей, как ожидаемый тип загрузки, интенсивность загрузки, ориентация конструкции и плотность заполнения 3D-печатной детали. Однако на сегодняшний день существуют самые прочные нити для 3D-принтеров:

1. Нейлон, армированный углеродным волокном: Это сочетает в себе повышение прочности благодаря добавкам углеродного волокна с прочностью и долговечностью нейлона, что делает его, как правило, самым прочным материалом для 3D-печати.
2. Поликарбонат: ПК — прочная и долговечная нить накала, способная выдерживать высокие температуры. Он обладает превосходной ударопрочностью, а также другими эксплуатационными характеристиками высокого уровня.
3. Полиэфиримид (Ultem/PEI): Термопластик с превосходной прочностью, термостойкостью и химической стойкостью, Ultem находит широкое применение в прототипировании компонентов аэрокосмической промышленности.

Важно отметить, что эти нити часто требуют специальных настроек принтера и могут быть несовместимы с более простыми принтерами FDM/FFF. Их может быть значительно сложнее печатать, поэтому важно попрактиковаться с этими высокопроизводительными материалами, прежде чем пытаться создавать функциональные модели в условиях ограниченного времени.



Прямое осаждение энергии (DED):процесс, преимущества и ограничения Освоение решетчатых структур для 3D-печати:проектирование, оптимизация и создание