Полное руководство по самым прочным материалам для 3D-печати и их долговечности

Прочность и вязкость часто путают. Стекло (содно-известковое) — прочный материал; у него почти та же прочность на изгиб, что и у алюминия, после закалки, при том, что оно легче и так же жестко. Несмотря на это, мы не делаем самолеты из стекла, и у нас есть идиомы вроде «стеклянный замок» и «стеклянная пушка», обе намекающие на хрупкость. Причина — вязкость: стекло, как большинство керамических материалов, не вязко. Стекло ~40 раз менее вязко, чем алюминий, и эта недостаточная вязкость делает его непрактичным во многих инженерных приложениях, потому что оно не может перераспределять внутренние напряжения и выдерживать удары и динамические нагрузки.

В 3D-печати происходит похожее явление с двумя самыми популярными филаментами. Можно услышать «ABS прочнее PLA», но это неправда. PLA значительно прочнее и жестче ABS (примерно в полтора раза в зависимости от филамента). ABS вязче, и именно эта вязкость делает его желаемым инженерным материалом.

Но какой материал для 3D-печати самый прочный? Какой самый вязкий? В 3D-печати определение того, насколько прочны или вязки 3D-печатанные детали, сильно зависит от технологии печати и выбранного материала, так как каждый предлагает разный баланс прочности на разрыв и ударной устойчивости.

Это руководство сравнивает механические свойства самых популярных материалов: PLA, ABS, нейлон, углеродно-волокнистые композиты, инженерные смолы стереолитографии (SLA) и порошки селективного лазерного спекания (SLS), а также самые распространенные технологии 3D-печати (FDM, SLA, SLS) и другие факторы, влияющие на прочность материала.

Прочность важна, когда вы печатаете функциональные детали: инструменты, приспособления, оснастку или все, что должно выдерживать реальные нагрузки. Однако прочность может означать разное для разных людей. Когда деталь описывается как «прочная», это может значить способность удерживать большую нагрузку, сопротивляться ударам и переломам, или устойчивость к теплу или условиям среды.

В материаловедении «прочность» имеет более узкое определение: это максимальное напряжение, которое деталь может выдержать без разрушения. «Напряжение» — сила, деленная на площадь поперечного сечения детали для учета геометрических различий. Другое важное свойство, связанное с реакцией материала на напряжение — жесткость. Жесткость — удлинение или дефлекция, вызванная данной единицей напряжения. Прочность и жесткость можно измерять на растяжении (прочность на разрыв) или на изгибе (прочность на изгиб). Прочность и жесткость наиболее релевантны для нагрузочного случая, где деталь должна удерживать тяжелую статическую нагрузку, как кронштейн. Не все нагрузки статичны, и есть другие свойства, характеризующие производительность материала под более динамическими нагрузками, как удары.

Когда мы говорим о «вязкости» материалов, мы описываем способность материала поглощать энергию и пластически деформироваться без разрушения. Есть различные способы измерить вязкость. Один — измерить энергию, поглощенную от молота, закачанного маятником, или падающего веса — это называется «ударная прочность». Эти измерения имеют единицы энергии (часто Дж, Дж/м или Дж/м²), в отличие от прочности, измеряемой в силе на площадь (обычно Паскали или PSI). Изод, Шарпи и Гарднер — три популярных стиля ударного тестирования. Вязкость также можно охарактеризовать другими способами, как измерение энергии, необходимой для распространения трещины. Вязкость важна, когда нужна деталь, выдерживающая экстремальные динамические нагрузки, как защитные корпуса.

Перед сравнением материалов 3D-печати важно установить, что означают механические свойства, используемые для измерения прочности. В 3D-печати «прочность» часто является сокращением для комбинации следующих механических свойств: прочность на разрыв, ударная прочность, прочность на изгиб, температура деформации под нагрузкой (HDT) и жесткость.

Прочность на разрыв (Tensile strength) измеряет сопротивление материала разрушению под напряжением. Это максимальное напряжение, которое материал может выдержать при растяжении или тяге до отказа. Представьте, что вы тянете веревку с двух концов до постоянной деформации или разрыва. Максимальная выдержанная сила, деленная на площадь поперечного сечения — предельная прочность на разрыв.

• Почему это важно: Высокая прочность на разрыв критична для деталей, которые висят, несут статические нагрузки или разрываются, таких как подъемные крюки или кронштейны.

• Измерение: Напряжение (Сила на Площадь), обычно в Мегапаскалях (МПа)

Прочность на изгиб (Flexural strength) — сопротивление материала отказу под нагрузкой на изгиб. Обычно тестируется трехточечным изгибом, где образец поддерживается двумя опорами и нагружается в центре. При изгибе одна поверхность испытывает растягивающие силы, пытаясь разойтись, а противоположная — сжимающие, сдавливающие её. Пластики обычно имеют отличные свойства в сжатии, и прочность на изгиб обычно выше, чем при чистом растяжении.

• Почему это важно: Высокая прочность на изгиб критична для деталей, выдерживающих изгибающие силы: балки, рычаги, консольные кронштейны, рамы.

• Измерение: Напряжение (Сила на Площадь), обычно в Мегапаскалях (МПа)

Модуль упругости (Elastic modulus) может измеряться в растяжении или изгибе.

• Почему это важно: Жесткая деталь (высокий модуль) сохраняет форму под нагрузкой, в то время как гибкая (низкий модуль) деформируется или растягивается. Для приспособления для сверления вы хотите высокий модуль, чтобы местоположение отверстия не смещалось под нагрузкой. Для защелкивающегося корпуса нужен баланс: достаточно гибкости для защелки, но достаточно жесткости для удержания.

• Измерение: Напряжение на единицу удлинения — обычно ГПа или МПа, так как удлинение рассматривается как отношение к исходной длине. Хотя единицы совпадают с прочностью, измеряется напряжение на процент удлинения — материал с модулем 1000 МПа требует 10 МПа напряжения для удлинения на 1% от исходной длины.

Ударная прочность (Impact strength) измеряет способность материала поглощать удар и внезапную энергию без разрушения. Материал с высокой прочностью на разрыв, но низкой ударной прочностью (как стекло или стандартный PLA) считается «хрупким». Если нужна деталь, выдерживающая падения или удары, ищите высокую ударную устойчивость. Для Изод и Шарпи образцы могут быть «без выемки» или «с выемкой», где вырезается небольшая V-образная выемка. Эта выемка служит точкой начала распространения трещины и делает тест гораздо более сложным.

• Почему это важно: Критично для защитных корпусов, дрон-деталей, приспособлений, оснастки, инструментов или предметов, которые могут упасть.

• Измерение: Поглощенная энергия, деленная на толщину или площадь образца (Дж/м) или кДж/м². Для ударной прочности по Гарднеру сообщается только энергия.

HDT — температура, при которой полимер деформируется под заданной нагрузкой. HDT — предпочтительный способ сравнения температуры, при которой снижается несущая способность. Температура стеклового перехода (Tg) иногда используется как прокси для HDT, и хотя это хорошо работает для аморфных термопластиков вроде ABS, Tg и HDT могут сильно отличаться от HDT для полукристаллических материалов (Нейлон, PP) и термореактивных смол вроде SLA.

• Почему это важно: «Прочные» детали бесполезны, если они деформируются в горячей машине или внутри корпуса с электроникой. Важно для деталей в механических сборах, машинах или деталей, используемых в горячих средах.

• Измерение: Температура отказа в градусах Цельсия (°C) при 0,45 МПа или 1,8 МПа нагрузки.

Прочность печати не зависит только от материала. Будь то FDM, SLA или SLS, технология печати диктует структурную целостность конечной детали. Фундаментальные различия лежат в качестве печати, затратах и разнообразии материалов.

FDM может производить прочные детали, но они анизотропны и обычно значительно слабее по оси Z.

FDM-принтеры строят детали экструзией расплавленного пластика слой за слоем. Хотя связь внутри одного слоя (оси X и Y) сильна, связь между слоями (ось Z) значительно слабее, часто на 30-50%.

SLA-принтеры используют лазер для удерживания жидкой смолы. Этот химический процесс создает ковалентные связи между каждым слоем при его формировании. В результате SLA-детали изотропны: демонстрируют равномерную прочность по осям X, Y и Z.

Инженеры имеют больше свободы дизайна с SLA, чем с FDM. Можно ориентировать деталь для оптимальной отделки поверхности или скорости печати, не боясь, что нагрузка с «неправильного» угла вызовет разслоение. С продвинутыми инженерными смолами SLA может превосходить несколько FDM-филаментов по прочности на разрыв и жесткости.

Вебинар

Узнайте, как Form 4 позволяет новые уровни продуктивности и инноваций через несравненную скорость, точность и надежность.

Смотреть вебинар сейчас

SLS-принтеры используют высокомощный лазер для спекания термопластикового порошка. Как и SLA, процесс спекания создает практически изотропные детали. Главное преимущество SLS-3D-принтеров — они не требуют поддерживающих структур для печати.

SLS-3D-печать предлагает некоторые из самых прочных материалов для 3D-печати, включая ряд нейлоновых порошков.

Белая книга

Серия Fuse SLS-3D-принтеры — не просто принтеры, это целая экосистема для превращения CAD-файлов в полностью функциональные конечные детали из промышленных термопластиков.

Читать белую книгу

Сравните варианты материалов, чтобы определить самый прочный материал 3D-печати для данного приложения. Дополнительные рекомендации даны для самых вязких и теплостойких материалов для FDM, SLA и SLS 3D-печати.

Хотя материалы разбиты на самые прочные, самые вязкие и самые теплостойкие, поликарбонат (PC) попадает во все эти категории.

Поликарбонат (PC) — самый прочный потребительский материал перед шагом к дорогим промышленным полимерам вроде PEEK и PEKK. Это тот же материал, что в пуленепробиваемом стекле и protivopошинных щитах. В FDM-печати он дает отличный скачок в теплоустойчивости и ударной прочности по сравнению с ABS и нейлоном. Это сложный материал для печати, часто смешиваемый с другими для упрощения печати, что также снижает производительность прочности.

• Плюсы: Экстремальная вязкость (ударная устойчивость), очень высокая теплоустойчивость, оптическая прозрачность (в специфических полупрозрачных смесях), высокая прочность на разрыв.

• Минусы: Сложен для печати (требует очень высоких температур сопла ~270-310 °C), гигроскопичен (впитывает влагу), склонен к сильной деформации и разслоению без нагнутой камеры.

• Прочность на разрыв: Высокая (60-70 МПа). Прочнее нейлона и ABS, способен нести значительные нагрузки.

• Жесткость: Умеренная (2-2,5 ГПа) Похоже на ABS, но не так жестко, как PLA.

• Ударная прочность: Очень высокая. PC, пожалуй, самый вязкий негибкий филамент. Выдерживает повторные тяжелые молотковые удары без раскола.

• Теплоустойчивость: Отличная. С HDT ~110-130 °C остается ригидным в средах, где PLA и ABS размягчаются.

• Лучше для: Высокотемпературных функциональных деталей, автокомпонентов (под капотом), электрокорпусов, прозрачных долговечных накладок.

В целом, если ваш 3D-принтер может справиться с теплом, необходимым для печати, Поликарбонат — лучший выбор для деталей, которые должны быть прочными и теплоустойчивыми.

Углеродно-волокнистые усиленные филаменты (CF-Нейлон/CF-PETG)

Углеродно-волокнистые филаменты обычно — базовый пластик (нейлон, PETG или ABS), наполненный рубленым или измельченным углеродным волокном. Эти наполнители увеличивают жесткость материала, но обычно не значительно улучшают прочность на разрыв, если не используются более длинные рубленые волокна, которые могут вызывать забивку сопла. Добавление углеродного волокна tende к снижению деформации в материалах вроде PC и Нейлон. Когда наполнители добавляются к аморфным материалам вроде ABS, PC и PETG, HDT дает минимальные улучшения, тогда как добавление к Нейлону может привести к HDT чуть ниже температуры обработки материала.

• Плюсы: Экстремальная жесткость (высокий модуль), высокая размерная стабильность (лучше сопротивляет деформации, чем базовый материал), легкий, хорошая отделка поверхности.

• Минусы: Абразивны (требуют закаленной стальной соплы), дорогие, могут быть более хрупкими и сложнее для печати, чем незаполненный базовый материал.

• Прочность на разрыв: Высокая (50-100+ МПа, в зависимости от базы). Прочность может быть выше базы с длинными волокнами при более высокой загрузке, но с малыми волокнами прочность может снижаться.

• Жесткость: Экстремальная (3-6 ГПа) волокна предотвращают растяжение пластика, значительно снижая дефлекцию под нагрузкой.

• Ударная прочность: Умеренная до хорошей. Пока прочен, добавленная ригидность означает, что он поглощает меньше энергии, чем чистый нейлон, перед отказом.

• Теплоустойчивость: Отличная. Волокна помогают детали держать форму под теплом, часто поднимая HDT выше базового пластика в одиночку, достигая 150-160 °C.

• Лучше для: Структурных деталей, дрон-рам, автокомпонентов, приспособлений и оснастки, где жесткость критична.

Углеродно-волокнистые филаменты в целом — самые прочные 3D-филаменты для FDM в плане жесткости и структурной ригидности.

PEEK (Полиэтерэтеркетон)

PEEK принадлежит к семейству высокопроизводительных термопластиков PAEK и широко считается одним из самых прочных полимерных материалов. Часто используется в авиации и медицинских имплантах, служит легитимной легкой заменой металла.

• Плюсы: Экстремальная химическая устойчивость, биосовместимость (безопасен для имплантов), превосходное отношение прочности к весу, огнеупорность.

• Минусы: Экстремально дорогой (часто сотни долларов за кг), требует специализированных промышленных принтеров (температура сопла ~400 °C+, камеры ~100 °C+), сложен в обработке.

• Прочность на разрыв: Экстремальная (90-100 МПа). PEEK приближается к прочности некоторых алюминиевых сплавов, будучи значительно легче.

• Жесткость: Очень высокая (3,5-4,5 ГПа) PEEK — один из самых жестких незаполненных полимеров.

• Ударная прочность: Высокая. Невероятно вязок, хорошо сопротивляет усталости и трещинам от напряжения.

• Теплоустойчивость: Превосходная. Выдерживает непрерывное использование до 260 °C (при отжиге), подходящий для деталей двигателей и авиационных клапанов.

• Лучше для: Замены металла, авиационных компонентов, медицинских имплантов, химического процессорного оборудования.

Вообще, PEEK — высокопроизводительный промышленный инженерный материал.

PEKK (Полиэтеркетонкетон)

PEKK — близкий родственник PEEK, но часто предпочтительнее в 3D-печати, так как немного легче обрабатывать. Его молекулярная структура позволяет более медленный кристаллизации, снижая внутренние напряжения, вызывающие деформацию при печати.

• Плюсы: Меньшая деформация при печати, чем PEEK, отличное межслойное сцепление, экстремальная химическая и тепловая устойчивость, низкое выделение газов (критично для космических приложений).

• Минусы: Экстремально дорогой, требует высокотемпературного промышленного оборудования, требует отжига (запекания) для разблокировки полных термических свойств.

• Прочность на разрыв: Очень высокая (80-93 МПа). Хотя иногда слегка ниже PEEK в чистом растяжении, часто демонстрирует лучшую сжимательную прочность.

• Жесткость: Высокая (2,5-4 ГПа) слегка менее жесткий, чем PEEK, но все же жестче большинства незаполненных полимеров.

• Ударная прочность: Высокая. Как PEEK, долговечен и вязок, подходит для суровых сред.

• Теплоустойчивость: Превосходная. Похожа на PEEK, выдерживает температуры значительно выше 150 °C и до ~250 °C+ после отжига.

• Лучше для: Авиационных деталей (из-за низкого выделения газов), нефтегазовых компонентов, структурных деталей, где PEEK слишком сильно деформируется.

PEKK часто — самый прочный и надежный альтернативный PEEK при производстве деталей, которые могут деформироваться.

PLA (Полилактическая кислота)

PLA — материал по умолчанию для большинства FDM-принтеров. Легко печатается, дает жесткие детали с хорошей детализацией, но низкой общей долговечностью.

Имеет среднюю-высокую прочность на разрыв (50-60 МПа), часто выше ABS или PETG. Однако эта прочность обманчива, так как PLA экстремально хрупок.

• Плюсы: Высокая жесткость, легко печатать, доступен.

• Минусы: Очень низкая ударная устойчивость, низкая теплоустойчивость (деформируется около 50 °C), биоразлагаем (может деградировать под УФ/влажностью).

• Прочность: Предельная прочность на разрыв Высокая (53 МПа).

• Жесткость: Высокая (2,5-3,5 ГПа) PLA очень жесток и дефлектирует меньше под нагрузкой, чем ABS или PETG.

• Вязкость: Ударная прочность очень низкая, с Notched Izod 16 Дж/м. PLA хрупок; он крошится, а не гнется при ударе.

• Теплоустойчивость: Низкая. PLA размягчается около ~55-60 °C, делая его непригодным для высокотемпературных приложений. PLA часто можно отжигать как PEKK и PEEK для улучшения термических свойств за счет дополнительной кристаллизации полимера. Отжиг так обрабатываемый PLA будет иметь температурную устойчивость около 110-130 °C.

• Лучше для: Эстетических моделей, не несущих нагрузку прототипов, быстрых «looks-like» моделей.

В целом, PLA хорош для жестких статичных объектов (как подставка для ручек), но слишком хрупок для прочных функциональных механических деталей.

PETG (Полиэтилентерефталат, гликоль-модифицированный)

PETG — модифицированная версия обычного PET, используемого для бутылок воды и пищевой упаковки, с кодом переработки «1». PETG имеет модифицированный полимерный каркас для улучшения процессности, делая его пригодным для литья под давлением и 3D-печати.

PETG — один из самых широко используемых 3D-филаментов.

• Плюсы: Вязче PLA, но намного легче печатать, чем ABS или Нейлон.

• Минусы: Может иметь артефакты «ниточки» на печатях.

• Прочность на разрыв: Высокая — (45-55 МПа) Близко к PLA.

• Жесткость: Умеренная-Высокая (2,0-3,0 ГПа) Жестче ABS и близко к жесткости PLA.

• Ударная прочность: Низкая-умеренная; обычно выше PLA, но ниже ABS.

• Теплоустойчивость: Низкая. Обычно ~70 °C

PETG предлагает универсальный вариант между PLA и ABS по ударной и температурной производительности.

ABS (Акрилонитрилбутадиенстирол)

ABS — промышленный стандарт для литых под давлением потребительских товаров (вроде LEGO® кирпичиков). В 3D-печати предлагает сбалансированный профиль прочности. Имеет более низкую прочность на разрыв, чем PLA (~34-36 МПа), но значительно высокую ударную устойчивость и дуктилность.

• Плюсы: Течет перед разрывом (дуктил), выдерживает температуры до ~85 °C, можно гладчить ацетоном.

• Минусы: Склонен к деформации при печати, выделяет канцерогенные дымы, более низкая сырая прочность на разрыв.

• Прочность на разрыв: Ниже PLA, но достаточна для многих пластиковых деталей.

• Жесткость: Умеренная.

• Ударная прочность: Умеренная. ABS может сопротивляться удару лучше PLA, но склонен к плохому межслойному сцеплению, вызывая легкие переломы по направлению Z.

• Теплоустойчивость: Умеренная. Выдерживает температуры до ~85-95 °C.

• Лучше для: Долговечных потребительских товаров, корпусов, деталей, требующих теплоустойчивости.

ABS — частый ответ на вопрос о самом прочном 3D-филаменте для общего назначения, как надежный выбор для функциональных деталей, выживающих при падении или в горячей среде. Но выделяет дымы и может быть сложно надежно печатать на бюджетных машинах.

Нейлон (Полиамид)

Нейлон (Полиамид) широко считается одним из самых вязких термопластиков. В отличие от PLA (жесткий) или ABS (дуктил), Нейлон предлагает уникальное сочетание прочности, гибкости и устойчивости к износу.

Нейлон — материал выбора для функциональных деталей, выдерживающих повторяющиеся механические напряжения, трение или усталость без разрыва. Самосмазывающийся, идеален для шестеренок и движущихся деталей. Свойства нейлона сильно варьируют по сорту, многие филаменты — смеси разных нейлонов: PA6, PA12, PA11.

• Плюсы: Высокая ударная устойчивость, низкий коэффициент трения, отличная химическая устойчивость, высокая устойчивость к усталости.

• Минусы: Высоко гигроскопичен (быстро впитывает влагу из воздуха, портя печати), склонен к деформации, требует высоких температур печати. Нейлоновые филаменты часто заполнены углеродным волокном для снижения усадки и упрощения печати.

• Прочность на разрыв: Высокая (40-80 МПа). Сильно варьирует по сорту и кондиционированию влагой. Сухой нейлон прочнее и жестче, но влага «пластицизирует» или размягчает материал.

• Жесткость: Умеренная-низкая (1,5-2,0 ГПа). Обычно менее жесткий, чем ABS

• Ударная прочность: Хорошая. Нейлон может быть вязче ABS, в зависимости от сорта и влажности конечной детали.

• Теплоустойчивость: Очень хорошая. В зависимости от смеси (PA6, PA12) обычно выдерживает температуры до 120 °C или выше.

• Лучше для: Шестеренок, подшипников, шарниров-жизненных циклов, защелок, рукояток приспособлений.

Нейлон — отличный выбор для долговечных, удароустойчивых деталей, требующих гибкости. Когда спрашивают, какой самый прочный 3D-филамент для функциональных шестеренок и шарниров, ответ обычно — нейлон.

Рубленое или измельченное стекло и углеродное волокно добавляются в филамент для повышения температурной устойчивости и жесткости. Полиэтеримид (PEI) — один из таких материалов. Широко известен как Ultem® (торговая марка), PEI-филамент известен теплоустойчивостью, прочностью и химической стабильностью.

Rigid 10K Resin

Rigid 10K Resin — самый жесткий материал в портфолио Formlabs. Также один из самых теплоустойчивых. Стеклонаполненный, спроектирован для имитации свойств стекловолокнисто-усиленных термопластиков. «10K» относится к его модулю на разрыв 10 000+ МПа. Ощущается как керамика или камень в руке.

• Плюсы: Экстремальная жесткость, гладкая матовка, высокая размерная точность, теплоустойчивый.

• Минусы: Очень хрупок. Как керамика, ломается при падении или изгибе.

• Прочность на разрыв: Очень высокая (88 МПа). Один из самых прочных материалов Formlabs.

• Жесткость: Экстремальная (10 ГПа). Сопротивляет деформации под нагрузкой лучше почти любой другой смолы. Жестче большинства филаментов и порошков — даже с углеродными наполнителями.

• Ударная прочность: Очень низкая. Почти нет дуктилности.

• Теплоустойчивость: Экстремальная. Выдерживает тяжелые нагрузки при высоких температурах (HDT ~238 °C).

• Лучше для: Форм для литья, аэродинамических тестовых моделей, теплоустойчивых промышленных деталей, сварочных приспособлений.

В целом, Rigid 10K Resin — лучший выбор для деталей, которые не должны дефлектироваться или гнуться, как формы, приспособления, штампы.

Rigid 4000 Resin

Rigid 4000 Resin — стеклонаполненная смола с модулем 4000 МПа, ниже Rigid 10K Resin. Похожа на PEEK (Полиэтерэтеркетон) по прочности и жесткости. Дает высокую жесткость, сохраняя больше долговечности и вязкости, чем керамическая Rigid 10K Resin.

• Плюсы: Жесткая и прочная, полированная отделка, более высокая ударная устойчивость, чем Rigid 10K Resin.

• Минусы: Все еще хрупка по сравнению с семейством Tough Resin, абразивна для ванн принтера со временем.

• Прочность на разрыв: Высокая (69 МПа). Прочный структурный пластик.

• Ударная прочность: Низкая. Хрупка, но менее склонна к расколу, чем Rigid 10K Resin.

• Теплоустойчивость: Умеренная. HDT примерно 77 °C @ 0,45 МПа.

• Лучше для: Тонких стен, кронштейнов, креплений, приспособлений и оснастки, нуждающихся в ригидности, но могущих сталкиваться с незначительными вибрациями.

В целом, Rigid 4000 Resin — универсальный ригидный материал, компромисс между экстремальной жесткостью Rigid 10K Resin и долговечностью смол General Purpose.

Смолы General Purpose

Смолы General Purpose — универсальные материалы с широким спектром применений: форм-фит прототипирование, модели и реквизит, 3D-печатанные мастер-модели или формы и больше.

Смолы General Purpose (включая, но не ограничиваясь Color Resin, Black Resin, Grey Resin, Clear Resin, White Resin) — универсальные смолы, жесткие и прочные, с модулем около 2600 МПа в зависимости от цвета и протокола пост-удерживания.

• Плюсы: Доступны в разных цветах, быстрая печать, хорошие тонкие детали, менее хрупки, чем PLA-филаменты и сравнимы с PETG по вязкости, но полностью изотропны с лучшими Z-свойствами.

• Минусы: Не такие прочные или жесткие, как наполненные смолы, но не такие вязкие, как семейство Tough Resin или вязкие термопластики вроде ABS. Дороже филаментов общего назначения.

• Прочность на разрыв: Высокая (~62 МПа)

• Жесткость: Умеренная-Высокая (2600 МПа)

• Ударная прочность: Умеренная. Notched Izod 32 Дж/м выше Rigid 4000 Resin.

• Теплоустойчивость: Низкая. HDT примерно 71 °C @ 0,45 МПа.

• Лучше для: Форм-фит прототипирования, презентабельных моделей, приспособлений и оснастки.

Tough 1000 Resin

Tough 1000 Resin — самый пластичный и удароустойчивый из семейства Tough Resin. Сформулирован для сравнимой вязкости с HDPE или Delrin (POM). Предлагает низкий модуль (жесткость) ~1000 МПа, делая его невероятно вязким и износоустойчивым. Как и другие смолы семейства Tough Resin, Tough 1000 Resin названа в честь своего модуля.

• Плюсы: Экстремальная ударная устойчивость (высшая в семействе Tough Resin), высокая удлинение (180%), отличная износоустойчивость, гладкая низкотресковая поверхность.

• Минусы: Очень гибкий (не подходит для ригидных структурных деталей), более низкая теплоустойчивость.

• Прочность на разрыв: Низкая (26,3 МПа). Течет и растягивается, а не удерживает тяжелую статическую нагрузку.

• Жесткость: Низкая. Один из самых пластичных неэластомерных материалов в портфолио Formlabs.

• Ударная прочность: Экстремальная. С Notched Izod 72 Дж/м, соперничает с промышленными термопластиками и с высокой работой разрушения, пожалуй, самая трудно ломаемая смола.

• Теплоустойчивость: Низкая. HDT примерно 55 °C @ 0,45 МПа.

• Лучше для: Удароустойчивых приспособлений, сжимаемых прототипов, низкотресковых сборок (шестеренки, шаровые шарниры).

В целом, Tough 1000 Resin — лучшая смола для долговечных деталей, выдерживающих высокие падения.

Tough 1500 Resin

Tough 1500 Resin — упругий материал с прочностью, жесткостью и вязкостью, сравнимыми с полипропиленом (PP), предлагающий исключительное сопротивление переломам, ударам и расколам. Имеет отличный баланс жесткости и дуктилности.

• Плюсы: Находясь между Tough 1000 и Tough 2000, сочетает высокую вязкость, прочность и жесткость, также безопасен для кратковременного контакта с кожей.

• Минусы: Ниже прочность на разрыв, чем Tough 2000, но не такая вязкая и удароустойчивая, как Tough 1000.

• Прочность на разрыв: Умеренная (34 МПа). Менее устойчива к тяговым силам, чем Tough 2000, но более дуктилна.

• Жесткость: Низкая-умеренная (1,5 ГПа). Пока жестче Tough 1000, на более комплаентном конце спектра, сравнима с некоторыми нейлоновыми материалами.

• Ударная прочность: Очень высокая. С высокой ударной прочностью по Гарднеру и работой разрушения, поглощает энергию исключительно хорошо без раскола.

• Теплоустойчивость: Низкая-умеренная. HDT около 66 °C @ 0,45 МПа.

• Лучше для: Защелок, флексур, демпферов, застежек и пряжек, боссов для самонарезающих винтов, шарниров.

В целом, Tough 1500 Resin лучше для деталей, нуждающихся в сочетании жесткости и дуктилности.

Tough 2000 Resin

Tough 2000 Resin — самый прочный и жесткий материал в семействе Tough Resin Formlabs. Сформулирован для соперничества свойствам литого под давлением ABS, это смола выбора для функционального прототипирования, когда нужна деталь, которая жесткая и держит форму, но не расколется под напряжением, и достаточно прочная для функциональных приспособлений и оснастки.

• Плюсы: Отличный баланс жесткости-ггибкости, сопротивляет циклической нагрузке (усталости), свойства похожи на литой ABS.

• Минусы: Менее вязкая, чем Tough 1000 и Tough 1500.

• Прочность на разрыв: Умеренная (40,4 МПа). Достаточно прочная для функциональных приспособлений, оснастки, механических соединителей и деталей, обычно литых из ABS.

• Ударная прочность: Высокая. Предлагает высокую вязкость на разлом, способную выдерживать падения и внезапные шоки значительно лучше стандартных смол.

• Теплоустойчивость: Умеренная. HDT 70 °C @ 0,45 МПа.

• Лучше для: Корпусов, приспособлений и оснастки, функциональных прототипов, выполняющих как ABS.

В целом, Tough 2000 Resin идеален для деталей, которые должны быть жесткими, но не хрупкими.

High Temp Resin

Выбирайте High Temp Resin для печати детализированных точных прототипов и конечных деталей, требующих высокой термической стабильности: форм и вставок, деталей, подвергающихся горячеему воздуху, газу и потоку жидкости, а также теплоустойчивых креплений, корпусов и приспособлений.

High Temp Resin имеет самый высокий HDT среди смол Formlabs. Спроектирован специально для термической стабильности, позволяя выдерживать тепло процессов литья или горячего воздуха/потока жидкости.

• Плюсы: Экстремальная теплоустойчивость (высшая в классе), точная детализация.

• Минусы: Очень хрупок (похоже на стекло), впитывает влагу со временем, сложен для пост-удерживания.

• Прочность на разрыв: Умеренная (~49 МПа). Хорошо для удержания формы, но не для механической нагрузки.

• Жесткость: Умеренная-высокая (2,8 ГПа)

• Ударная прочность: Очень низкая. Детали расколоются при падении.

• Теплоустойчивость: Превосходная. HDT 238 °C @ 0,45 МПа, делая ее одним из самых температурно-устойчивых материалов 3D-печати.

• Лучше для: Форм и вставок, деталей под горячим воздухом/газом/жидкостью, теплоустойчивых креплений, корпусов, приспособлений.

В целом, High Temp Resin — специализированный материал, используемый почти исключительно для приложений, где стандартные пластики плавились бы или деформировались.

Nylon 12 Powder

3D-печатанная дрон-рама из Nylon 12 Powder прочна и легка.

Nylon 12 Powder — золотой стандарт индустрии для SLS. Предлагает универсальный баланс прочности, жесткости и детализации с очень низким впитыванием влаги. Самый легкий порошок для печати, надежно производящий детали с тугшими допусками и сложными геометриями.

• Плюсы: Отличная размерная точность, легко печатать, сбалансированные механические свойства, хороший рефреш-рейт.

• Минусы: Менее дуктилен, чем Nylon 11 Powder. Более жесток и ломается раньше при агрессивном изгибе.

• Прочность на разрыв: Высокая (50 МПа). Отличная общая структурная прочность, подходящая для большинства инженерных задач.

• Жесткость: Умеренная (1,9 ГПа)

• Ударная прочность: Умеренная (32 Дж/м Notched Izod). Пока вязок, значительно менее удароустойчивый, чем Nylon 11 Powder или Nylon 12 Tough Powder.

• Теплоустойчивость: Отличная. Выдерживает температуры до 171 °C @ 0,45 МПа.

• Лучше для: Детализированных прототипов, постоянных приспособлений и оснастки, корпусов, общих конечных деталей.

В целом, Nylon 12 Powder предлагает лучший баланс печатаемости и производительности для общего прототипирования и производства, где не требуется экстремальная дуктилность.

Nylon 12 Tough Powder

Дрон-детали могут быть SLS 3D-печатаны в Nylon 12 Tough Powder.

Nylon 12 Tough Powder — специализированная формулировка для улучшенной дуктилности и вязкости при сохранении той же универсальности и легкого воркфлоу, что и стандартный Nylon 12. Менее хрупок, чем стандартный Nylon 12 Powder, и предлагает лучший рефреш-рейт в индустрии (повторное использование до 80% старого порошка).

• Плюсы: Высокая дуктилность (гнутся без ломания), отличная размерная точность (сниженная деформация), очень стоимоэффективен за счет низкого рефреш-рейта.

• Минусы: Ниже прочность на разрыв, чем стандартный Nylon 12 Powder. Ниже теплоустойчивость под тяжелыми механическими нагрузками.

• Прочность на разрыв: Умеренная (42 МПа). Пока слегка слабее стандартного Nylon 12 Powder (50 МПа), компенсирует гибкостью.

• Жесткость: Низкая-умеренная (1,5 ГПа)

• Ударная прочность: Хорошая (60 Дж/м Notched Izod). Хорошо поглощает шок, идеален для деталей, которые должны щелкать или гнуться.

• Теплоустойчивость: Отличная. Выдерживает до 161 °C @ 0,45 МПа, хотя размягчается при более низких температурах под высокими нагрузками (HDT @ 1,8 МПа 46 °C).

• Лучше для: Защелкивающихся корпусов, крестообразных механизмов, шарниров, функциональных прототипов, длинных деталей, склонных к деформации.

В целом, Nylon 12 Tough Powder — порошок выбора для сложных геометрий, склонных к деформации, или деталей, нуждающихся в большей флексии, чем стандартный Nylon 12 Powder.

Nylon 12 GF Powder

Nylon 12 GF Powder может печатать высокоточные резьбы, гнезда и движущиеся элементы внутри детали.

Nylon 12 GF Powder — стеклонаполненный композитный материал для приложений, где жесткость и термическая стабильность критичны. Включая стеклянные шарики в базу стандартного Nylon 12, этот порошок производит детали, значительно более жесткие и плоские, чем незаполненный нейлон, делая его идеальным для поддержания структурной ригидности под нагрузкой или теплом.

• Плюсы: Высокая жесткость (высокий тензильный модуль), отличная термическая стабильность (высокий HDT), производит очень плоские детали с минимальной деформацией.

• Минусы: Более хрупок, чем незаполненный Nylon 12; абразивен для постобработочного оборудования со временем.

• Прочность на разрыв: Умеренная (38 МПа). Пока сырая точка разрыва слегка ниже чистого Nylon 12, он сопротивляется растяжению (деформации) намного лучше.

• Жесткость: Умеренная-высокая (2,8 ГПа).

• Ударная прочность: Низкая-умеренная (23 Дж/м Notched Izod). Стеклянное усиление добавляет ригидность за счет дуктилности, значит, более вероятно лопнет, чем согнется под внезапным ударом.

• Теплоустойчивость: Отличная. Предлагает улучшенное дефлекцию тепла по сравнению со стандартным Nylon 12 (175 °C @ 0,45 МПа), лучше сохраняя форму в горячих средах.

• Лучше для: Жестких корпусов, приспособлений, оснастки, резьб, деталей, требующих высокой устойчивой несущей способности без ползучести.

В целом, Nylon 12 GF Powder — выбор для жестких и стабильных деталей. Материал выбора, когда нужна печатаемость Nylon 12, но требуется увеличенная ригидность.

Nylon 11 Powder

Nylon 11 Powder — высокопроизводительный, био-базированный материал для деталей, которые должны гнуться и флексить без ломания. Пока стандартные нейлоны вязки, Nylon 11 Powder предлагает превосходную дуктилность и ударную устойчивость, делая его идеальным выбором для приложений, где деталь может падать, крутиться или подвергаться внезапным шокам.

• Плюсы: Исключительная дуктилность (40% удлинение при разрыве), высокая ударная прочность, отличная долгосрочная стабильность. Био-базированный (из касторового масла), идеален для тонких элементов.

• Минусы: Может быть более склонен к деформации, чем Nylon 12 Powder детали, если не ориентированы правильно; печать в инертной азотной атмосфере рекомендуется для лучших свойств материала и рефреш-рейта.

• Прочность на разрыв: Высокая (49 МПа). Хорошо держит тяжелые нагрузки, но определяется способностью растягиваться перед отказом.

• Жесткость: Низкая-умеренная (1,6 ГПа)

• Ударная прочность: Очень высокая (71 Дж/м Notched Izod). Эффективно поглощает энергию, делая его одним из самых устойчивых к расколу порошков.

• Теплоустойчивость: Отличная. HDT 182 °C @ 0,45 МПа.

• Лучше для: Защелок, шарниров-жизненных циклов, ортезов, протезов, тонкостенных воздуховодов, выдерживающих злоупотребления.

В целом, Nylon 11 Powder — специализированный выбор для долговечности и производительности. Если ваша деталь должна выжить в реальных ударах или постоянном флексировании, это материал для использования.

Nylon 11 CF Powder

Nylon 11 CF Powder — самый прочный и теплоустойчивый материал в библиотеке SLS-материалов Formlabs. Усиливая Nylon 11 Powder углеродным волокном, этот материал мостит брешь между пластиком и металлом. Предлагает высокую ударную устойчивость Nylon 11 Powder в комбинации с экстремальной жесткостью углеродного волокна, давая детали, которые ригидны, легки и способны выдерживать повторные структурные нагрузки.

• Плюсы: Отличное отношение прочности к весу, экстремальная жесткость (высокий модуль), превосходная термическая стабильность.

• Минусы: Требует печати в инертной азотной атмосфере; детали ригидны и не будут течь много перед разрывом по сравнению с незаполненным нейлоном.

• Прочность на разрыв: Очень высокая (69 МПа). Значительно прочнее стандартных нейлонов, сопротивляется деформации под тяжелыми нагрузками.

• Жесткость: До 5,3 ГПа, но зависит от ориентации детали, так как волокно выравнивается по оси X.

• Ударная прочность: Высокая (74 Дж/м Notched Izod). В отличие от многих углеродно-волокнистых филаментов, становящихся хрупкими, этот порошок сохраняет базовую вязкость Nylon 11 Powder, хорошо сопротивляясь расколу.

• Теплоустойчивость: Отличная. HDT ~188 °C @ 0,45 МПа, делая его подходящим для подкапотных авто приложений и высокотемпературных приспособлений.

• Лучше для: Замены металла, высокоударного оборудования, аэродинамических компонентов, ригидных приспособлений и оснастки.

В целом, Nylon 11 CF Powder — топовый выбор для структурных деталей, которые должны быть жесткими, легкими и теплоустойчивыми одновременно.

В зависимости от того, что означает прочность для вашего случая:

• Ударная устойчивость (детали, которые будут падать или молотковаться): Выбирайте Tough 1000 Resin (SLA) для прототипирования удароустойчивых деталей, и Nylon 11 Powder (SLS) для конечных удароустойчивых деталей. Tough 1000 Resin химически спроектирован для поглощения высокоэнергетических ударов. Nylon 11 Powder — превосходный выбор для дуктилности, если нужны детали вроде шарниров-жизненных циклов или ортезов, которые должны многократно гнуться и сильно растягиваться без ломания.

• Наивысшая прочность (несущие нагрузку): Выбирайте CF-Нейлон (FDM), Rigid 10K Resin (SLA) или Nylon 11 CF Powder (SLS). Они предлагают наивысшие прочности на разрыв, делая их достаточно прочными для замены металлических компонентов в структурных приложениях.

• Жесткость (детали, которые не должны гнуться): Выбирайте Rigid 10K Resin (SLA), CF-Нейлон (FDM) или Nylon 12 GF Powder (SLS). Rigid 10K Resin дает стеклянную жесткость (модуль 10 ГПа) для точного инструментария, в то время как углеродно-волокнисто-усиленные нейлоны (FDM и SLS) предлагают экстремальную структурную ригидность для легких функциональных деталей.

• Теплоустойчивость: Выбирайте High Temp Resin (SLA), Rigid 10K Resin (SLA) или PEEK (FDM). Для чистого дефлекции тепла (сопротивления деформации при ~238 °C) SLA-смолы превосходны. Для непрерывного использования в суровых химических/горячих средах PEEK — промышленный стандарт. В SLS Nylon 11 Powder и Nylon 12 GF Powder — отличные «средние» тепловые исполнители, выдерживающие ~170-180 °C, что значительно выше стандартных ABS или вязких смол.

• В целом, сбалансированный профильный прочность: Выбирайте ABS/ASA (FDM), Tough 2000 Resin (SLA) или Nylon 12 Powder (SLS). Они предлагают лучший баланс производительности и цены.

  • FDM: ABS — надежный, доступный стандарт для базовых функциональных FDM-печатей.

  • SLA: Tough 2000 Resin лучше для имитации свойств ABS с гладкой отделкой поверхности.

  • SLS: Nylon 12 Powder — золотой стандарт для функциональных конечных производственных деталей, которые должны служить долго.

Интерактивный помощник

Нужна помощь в выборе материала для 3D-печати? Наш новый интерактивный мастер материалов поможет принять правильное решение на основе вашего приложения и свойств, которые для вас важнее всего, из нашей растущей библиотеки смол.

Рекомендуйте мне материал

Выбор оптимального материала и технологии для производства прочной детали — только половина уравнения. Факторы вроде плотности заполнения, высоты слоя, ориентации и постобработки также диктуют итоговую механическую производительность.

Помимо выбора материала, следующие факторы сильно влияют на производительность детали.

Полостая деталь очевидно слабее сплошной. Обычно более высокая плотность заполнения увеличивает прочность, но требует больше материала и, особенно в FDM-3D-печати, больше времени печати.

Общая рекомендация для более прочных деталей при печати на FDM-3D-принтерах:

• 50% заполнение для умеренных нагрузок

• 80-100% заполнение для структурных деталей

Паттерн заполнения для FDM-3D-печати также играет большую роль в прочности. Кубические или гироидные паттерны предлагают высокую прочность, в то время как прямоугольные или сеточные паттерны обычно слабее. Поэтому для прочных деталей общая рекомендация — кубические или гироидные паттерны.

Толщина оболочки (стенки) часто вносит больший вклад в прочность детали, чем заполнение. Увеличение количества периметров с двух до четырех обычно добавляет больше прочности, чем переход с 50% на 80% заполнения.

Общая рекомендация для более прочных деталей:

• FDM: три-пять периметров для функциональных деталей

• SLA: 0,2 мм минимальная толщина стенки

• SLS: 0,6 мм (вертикально) и 0,3 мм (горизонтально) минимальная толщина стенки

Как обсуждалось, FDM-детали анизотропны, поэтому ориентация печати — один из крупнейших факторов для прочности FDM-3D-печати. SLA и SLS-детали изотропны, поэтому ориентация печати не компромитирует структурную целостность.

Общие рекомендации для более прочных деталей:

• FDM: Самая слабая между слоями (ось Z), поэтому ориентируйте детали так, чтобы механическая нагрузка шла вдоль линий слоев, а не поперек них. Например, если печатаете крюк, печатайте его лежачим на боку, а не стоячим.

• Поскольку SLA и SLS печати изотропны, детали можно ориентировать для сокращения времени печати или минимизации следов поддержек для SLA, не компромитируя структурную целостность.

Постобработка 3D-печатанных деталей может сильно влиять на производительность.

В FDM материалы вроде PLA и Нейлон могут отжигаться (запекаться) в духовке. Это рекристаллизует полимерные цепи, потенциально увеличивая прочность и теплоустойчивость, хотя может вызывать размерную усадку.

В SLA УФ-удерживание обязательно для смольных печатей для достижения полной прочности. Неудержанная или «зеленая» деталь имеет значительно более низкие тензильные свойства.

В SLS постобработка техник вроде вибрационного тамблевания и парового сглаживания может улучшить поверхностную твердость.

Интерактивный инструмент ROI

Попробуйте наш интерактивный инструмент ROI, чтобы увидеть, сколько времени и затрат вы можете сэкономить при 3D-печати на принтерах Formlabs.

Рассчитайте вашу экономию

Единого самого прочного материала не существует. Для чистой прочности на разрыв и жесткости — углеродно-волокнисто-усиленный нейлон (FDM) или Rigid 10K Resin (SLA) — топовые претенденты. Для ударной прочности и долговечности — Nylon 12 Tough Powder (SLS) или Tough 2000 Resin (SLA) превосходны.

Углеродно-волокнисто-усиленный нейлон и поликарбонат (PC) широко считаются самыми прочными филаментами для просумерских FDM-принтеров. PEEK и PEKK прочнее, но требуют дорогих промышленных высокотемпературных принтеров.

Широкая gama инженерных смол Formlabs доставляет высокую прочность на разрыв и жесткость. Некоторые предложения:

• Tough 2000 Resin дает прочность и жесткость, сравнимые с ABS.

• Tough 1500 Resin дает прочность, жесткость и вязкость, сравнимые с полипропиленом (PP).

• Tough 1000 Resin дает прочность, жесткость и вязкость, сравнимые с HDPE.

• Rigid 10K Resin дает сравнимую жесткость со стекловолокнисто-усиленными термопластиками.

• Rigid 4000 Resin дает сравнимую жесткость с PEEK и PEKK термопластиками.

• High Temp Resin дает термическую стабильность до 238 °C @ 0,45 МПа.

В целом, для жестких несущих деталей Rigid 10K Resin (стеклонаполненный) — самый прочный. Для деталей, выживающих при падениях и ударах, Formlabs Tough 1000 Resin — самый сильный вариант.

Nylon 11 CF Powder — лучший SLS-порошок по прочности. Углеродно-волокнистый композит, идеален для приложений, требующих и превосходной жесткости, и прочности. Производит легкие, прочные детали, остающиеся структурно и термически стабильными даже при повышенных температурах.

Смолы обычно более хрупки, чем стандартные филаменты вроде PLA или ABS. Однако инженерные смолы могут превосходить филаменты по метрикам вроде жесткости и прочности на разрыв, предлагая дополнительное преимущество изотропной (равномерной) прочности и более гладкой отделки поверхности.

Они могут быть такими же прочными, как литые пластики, при печати с правильной технологией, материалом и ориентацией.

FDM нейлон и углеродно-волокнисто-усиленные композиты филаментов, SLA семейство Tough Resin и SLS нейлоновые порошки — топовые выборы.

Да. Больше заполнение означает более прочные детали, особенно с прочными внешними стенками.

SLA и SLS детали, напечатанные в инженерных смолах, могут достичь похожей прочности на литые под давлением пластики.

Пластиковые 3D-печати обычно слабее обработанного алюминия или стали. Однако для металлоподобной прочности можно использовать SLS-принтеры для печати Nylon 11 CF Powder, который невероятно надежен, или SLA-принтеры для печати деталей в Rigid 10K Resin для замены инструментов вроде алюминиевых форм для литья под давлением, или SLA-литейные смолы для производства литейных форм для металлообработки.

Единого самого прочного материала 3D-печати не существует, потому что ни один материал не превосходит во всех категориях. Самая прочная деталь — та, что выживает в предполагаемом приложении и среде. Понимая разницу между прочностью на разрыв (тяга) и ударной устойчивостью (раскол), и используя изотропные преимущества SLA и SLS технологий для сложных геометрий, вы можете производить детали, соперничающие с традиционным производством.

Самые прочные материалы 3D-печати по технологии печати

FDM

• PAEK (PEKK и PEEK)

• PLA

• Поликарбонат

Изучите Библиотеку материалов Formlabs для поиска оптимального материала для себя, или запросите бесплатный образец детали для оценки материалов Formlabs самостоятельно.

Сравните материалы для определения лучшего материала для вашего приложения или свяжитесь с экспертом 3D-печати.