Прочность материалов в 3D-печати

Существует широкий спектр механических свойств материала, некоторые из них можно обнаружить на этикетке расходников для 3D-печати под такими терминами, как «предел прочности при растяжении» и предел прочности при изгибе». Но как же выбрать материал?

Каждый инженер, изучающий материалы, знает, что нужно учитывать множество факторов, чтобы найти идеальный вариант. Но вам не нужно быть инженером, чтобы печатать прочные детали, и здесь мы не будем вдаваться в курс выбора материалов.

Вместо этого давайте рассмотрим основы прочности материалов для 3D-печати и некоторые из самых крепких вариантов.

Когда дело доходит до материалов, все измерения прочности варьируются в зависимости от производителя, конкретного состава и используемых параметров печати. Например, не все мартенситностареющие стали прочнее нержавеющих сталей, но самая прочная мартенситностареющая прочнее самой прочной нержавеющей стали, поэтому она выше в нашем списке. Точно так же, далеко не все нейлоны из углеродного волокна будут сопротивляться изгибу больше, чем материалы PEEK из углеродного волокна. Как видите, ранжирование материалов по прочности не так однозначно, как может показаться.

Еще один момент, который следует учитывать, - это условия окружающей среды при печати и при использовании. Стандартный нейлон из углеродного волокна так же прочен, как и PEEK из углеродного волокна, но разваливается во влажной или агрессивной среде. Все данные о прочности измеряются при нормальных условиях (НУ), но для большинства применений требуется особая прочность при повышенных или пониженных температурах, ультрафиолетовом излучении или при химическом воздействии.

Для приведенных ниже измерений были использованы различные источники, но мы всегда обращаемся непосредственно к техническому описанию производителя для получения наиболее точной информации о последней версии их материалов.

Прочность на растяжение (сопротивление растяжению)

Если вы печатаете на 3D-принтере деталь, где основная сила тянет изделие, например, крюк, используемый для подъема тяжелого предмета, вам понадобится высокая прочность на растяжение. Прочность на растяжение относится к растяжению или напряжению, которое материал может выдержать перед тем, как разрушиться. Измерение прочности материала на растяжение включает в себя буквально помещение образца материала в тиски, и вытягивание его в противоположных направлениях. С практической точки зрения эта характеристика связана с тем, насколько быстро ваша деталь сломается и какую нагрузку способна выдержать. Для справки, нержавеющая сталь имеет предел прочности на разрыв 500-800 МПа, в то время как стекло составляет 33 МПа, а потребительский PLA составляет около 53 МПа.

Существуют важные термины, связанные с прочностью на растяжение, такие как предел прочности на растяжение, который является фактической точкой разрыва, и предел текучести при растяжении, когда материал необратимо деформируется, что, в большинстве случаев, делает его бесполезным, даже если он еще не сломался.

Прочность на изгиб (сопротивление изгибу)

Если ваша деталь должна немного сгибаться, чтобы выдерживать нагрузки, не сломавшись, как например, стул, напечатанный на 3D-принтере, то понадобится материал с высокой прочностью на изгиб. Прочность на изгиб представляет собой максимальное напряжение, которое материал может выдержать, прежде чем он необратимо деформируется или сломается при изгибе.

Чем выше прочность на изгиб, тем более устойчив материал к сгибаниям или скручиваниям. Так, если вы хотите напечатать что-то вроде стула выше, нужно выбрать прочность на изгиб, пропорциональную величине силы, которую вы будете прикладывать к нему. Стул, изображенный выше, был напечатан из PLA с прочностью на изгиб 102 МПа.

Не путайте прочность с модулем упругости при изгибе, который показывает сопротивление изгибу или жесткости. Детали с тонкими стенками, такие как трубы или контейнеры, изготовлены из материала с высоким модулем упругости, который предотвращает коробление под действием внешних сил.

Модуль упругости при растяжении (упругость)

Упругость (также известная как модуль Юнга, модуль упругости при растяжении) оценивает способность материала к деформации при воздействии определенных сил.

Типичная нить ТПУ, например, имеет низкий модуль упругости при растяжении - около 70 МПа (очень эластичная), в то время как большая часть нитей PEEK имеет высокий модуль упругости при растяжении 3,720 МПа (не упругая). При выборе материала эластичность является одним из критериев измерения, часто используемых наряду с прочностью. Еще одно свойство, которое важно для определения, это насколько ваша деталь может растягиваться без разрыва, — «удлинение при разрыве», которое обычно представляет собой участок (в процентах) детали, представляющий изменение длины образца в точке разрыва. Например, ТПУ может иметь относительное удлинение при разрыве 400%.

Ниже мы перечислим самые эластичные материалы для 3D-печати, но важно отметить, что фотополимеры для 3D-печати, которые могут быть очень эластичными, обычно не дают своего химического состава. Некоторые производители утверждают, что их продукты являются типом ТПУ или что они «похожи на силикон», но только глядя на спецификацию материала, вы можете получить представление об их истинной эластичности, указанной в разделе «Модуль упругости при растяжении».

Ударная вязкость и твердость

Ударная вязкость - это способность вашей детали выдерживать разрушение при падении или другом воздействии, а также ее способность к сопротивлению разрушения или растрескивания при приложении силы. Например, эта характеристика важна при изготовлении велосипедных шлемов, чтобы рассчитать нагрузку для разрушения шлема. Для исчисления данных величин используются методы Изода и Шарпи и измеряются в джоулях на квадратный метр. Метод Изода является более популярным методом для пластиковых материалов, а метод Шарпи распространен для металлов.

Твердость может показаться расплывчатым термином, особенно когда речь идет о металлах. Данный термин можно отнести к устойчивости к царапинам, износу и истиранию или способности детали противостоять вмятинам. Твердость пластмасс часто отображается как значение по шкале Роквелла или Шора, которое может иметь мало общего с прочностью или гибкостью материала. Твердость по Шору — это термин, который можно услышать, когда речь заходит о полимерах, но он более общий, чем приведенные выше измерения. Например, все эластомеры и гибкие нити, такие как ТПУ, будут по Шору А, а в этой категории они будут иметь индивидуальные значения, такие как твердость по Шору 95А.

Что прочнее: металлы, керамика или полимеры?

Было бы неверно предполагать, что все металлы прочнее всех полимеров. Фактически, 3D-печать с использованием прочного материала, такого как PEEK, может заменить использование металла во многих высокотемпературных средах при правильном применении. Полимеры часто используются для замены металлов в аэрокосмической промышленности, поскольку они легче и часто более устойчивы к коррозии. При сравнении полимеров с металлами большинство поставщиков полимеров используют удельный предел прочности на растяжение, который представляет собой прочность материала, деленную на плотность.

Некоторая техническая керамика также прочнее металлов в определенных отношениях, например, в модуле растяжения (или сопротивлении деформации под действием силы). Техническая керамика, такая как нитрид кремния (Si3N4), оксид алюминия (Al2O3) и диоксид циркония (ZrO2), удивительно прочна с точки зрения жесткости, но может иметь ограничения с точки зрения хрупкости.

Также стоит выбрать керамику или полимеры вместо металлов если вам необходима более высокая устойчивость к износу и истиранию.

То, как вы печатаете - важно