哪种3D打印耗材最强？耐用性能专家选材指南

3D打印耗材有哪些类型？

FDM/FFF（熔丝制造/熔融丝制造）打印机使用称为耗材的塑料原料丝构建零件。塑料熔融挤出构建3D模型。有几种以强度耐久著称的耗材类型。但"最强"取决于打印件具体应用和需求。

"强度"有两种基本诠释适用于耗材拉伸行为，取决于成品最终拉伸载荷方向。

情况一：零件载荷方向与耗材方向一致。此时原料耗材高抗拉强度将转化为成品良好抗拉强度。

情况二：零件载荷方向垂直于打印层。此时"最强耗材"成为相邻结合耗材粘结强度的表达，而非耗材本身强度。后者引出定义："哪种耗材粘结最牢固？"

这两种耗材特性（及其他）对构建高韧性、耐弯曲、耐磨模型均关键。必须平衡成品需求，针对抗拉强度、弯曲强度、耐磨硬度、抗冲击韧性等。每种耗材给模型不同优势，但无一适用所有情况。还要注意打印机可能不接受所有构建材料，有些耗材设计约束更多。无论选哪种，最终产品性能很大程度取决于设计质量和面向制造设计（DFM）原则的思考深度。

本文将考察几种被认为性能平衡的3D打印耗材，并回顾设计时需铭记的概念。

1. 聚碳酸酯 (PC)

聚碳酸酯（PC）耗材生产高强度、高韧性、耐高温模型。沿耗材轴向抗拉强度66 MPa。优势：高强度、耐温、光学透明。劣势：难打印、易吸湿。PC价格$70-200/kg（1.75mm）。详见《什么是聚碳酸酯？》指南。

2. 尼龙

尼龙耗材打印模型以强度和耐磨著称。材料抗拉强度50-90 MPa（视等级）。尼龙韧性好、价格低。但难打印高质量模型，水分含量过低时材料严重弱化。尼龙$40-100/kg（1.75mm）。详见《尼龙3D打印耗材全解》指南。

3. TPU

热塑性聚氨酯（TPU）构建高韧性弹性制品，耐显著冲击和磨损。固有弹性使其在许多方面属"强"材料。TPU抗拉强度50 MPa。麻烦是易堵塞喷嘴、必须低速打印。TPU $30-60/kg（1.75mm）。详见《热塑性聚氨酯，工程级(ETPU)》指南。

3D打印耗材的抗拉强度含义

3D打印耗材抗拉强度描述耗材断裂或发生永久（非弹性不可恢复）拉伸前所能承受的最大拉伸载荷。FDM/FFF用热塑性聚合物有弹性延伸载荷极限。载荷低于耗材弹性极限时，卸载后恢复原尺寸。超出弹性载荷应力，发生永久变形或断裂。

3D打印耗材的冲击强度含义

3D打印耗材冲击韧性衡量耗材对突发冲击或冲击载荷的反应。强材料应吸收冲击能量并变形而不断裂。这对机械零件、玩具、防护装备用材很重要。

注意：3D打印件冲击韧性非仅由单体耗材决定。构建方向相对冲击、"内部"晶格填充结构/密度、耗材层融合等因素也影响性能。许多情况下这些因素综合比原料耗材冲击特性更显著。

3D打印耗材其他强度指标

打印耗材有其他强度相关属性可能对设计过程关键。也有保持强度的属性应纳入分析。虽可为耗材属性，但更有用视为模型属性，由耗材类型构建。这些强度指标如下：

1. 弯曲强度： 衡量耗材或模型受弯曲力时抵抗断裂或永久变形能力
2. 断裂伸长率： 衡量耗材或模型在稳态拉伸载荷下通过永久（非弹性）变形抵抗断裂能力。断裂时断口两侧可测量塑性变形
3. 剪切强度： 衡量材料或模型抵抗剪切载荷下断裂或变形能力。体材料剪切强度仅略微关联打印件剪切强度。剪切情况常复杂，非纯材料剪切。这使实际测试结果远比基本耗材属性更依赖打印方向、零件设计、载荷场景
4. 抗压强度： 衡量耗材或模型承受压缩粉碎力能力。区别于模型整体受压弯曲倾向——那依赖弯曲韧性。现实中，除非打印件实心且横截面极简单，耗材抗压强度仅略微关联3D打印件
5. 耐磨性： 衡量耗材模型表面抵抗同等或更硬材料反复磨损导致剥屑或磨损失效能力
6. 疲劳抗力： 定义材料对接近物理极限的循环载荷耐受度。应变率、恢复时间、总循环数均可负面影响材料。这既可为构建方向和其他打印参数函数，也可为材料关键属性函数
7. 撕裂强度： 衡量耗材和模型抗撕裂能力。沿层面撕裂时为打印参数函数。仅撕裂发生在耗材轴向时，强度完全基于材料本征属性。撕裂和剪切为密切相关模式
8. 耐热性： 定义模型随温度升高保持其他属性能力。聚合物玻璃化转变温度高，则使用温度升高前耐受性更好
9. 蠕变抗力： 定义模型在持续稳态载荷下长期保持尺寸稳定性能力
10. 耐化学性： 定义材料暴露于溶剂、酸、碱等恶劣化学品或紫外线等条件下保持属性能力

上述参数部分与耗材材料基本属性紧密一致，部分极度依赖打印件设计和配置。

什么是3D打印机耗材？

3D打印机耗材是通过打印机挤出机送入并熔融用于构建打印模型的聚合物原料。原料可为多种聚合物之一，可含修改聚合物属性的其他添加剂。耗材原料以即装即用卷轴形式交付，从固定位置通过导管向挤出机供料。耗材被齿轮或夹轮进给机构夹持，从卷轴拉出并按需推入挤出机加热喷嘴。

什么是高性能聚合物？

高性能聚合物通过多种可能材料特性与普通材料区分。高性能材料通常在以下至少一项特性上优越：

1. 抗拉强度
2. 剪切强度
3. 弯曲强度
4. 属性开始退化前的温度极限
5. 化学韧性
6. 耐磨韧性
7. 蠕变抗力
8. 弹性

什么是复合耗材？

FDM/FFF复合耗材是在基础耗材聚合物中掺入添加剂的3D打印耗材。用木纤维、金属粉末、碳纤维或Kevlar®纤维、石墨烯等多种材料增强基础和高性能打印聚合物的特定性能。复合材料旨在改善纯聚合物的性能或功能性。

圆形横截面光滑表面木纤维提高打印件强度、刚度、密度。Kevlar®、碳纤维或石墨烯掺入耗材强度、韧性、刚度更优。足量石墨烯甚至可使材料导电。含青铜、铜、不锈钢粉末耗材不增强强度但可创造金属外观。复合耗材允许修改3D打印件一个或多个属性，但打印问题可能使此类材料在简单机器上难用。

可选最强3D打印耗材是什么？

最强3D打印耗材取决于具体因素：预期载荷类型、载荷强度、3D打印件设计构建方向和填充密度。但目前可用最强耗材如下：

1. 碳纤维增强尼龙： 结合碳纤维添加剂强度增强与尼龙韧性耐久，通常为最强3D打印材料
2. 聚碳酸酯： PC是韧性耐久耗材，耐高温。在抗冲击性等高性能属性上表现优异
3. 聚醚酰亚胺 (Ultem/PEI)： 具优异强度、耐热、耐化学性的热塑性塑料，广泛用于航空航天零件原型

注意：这些耗材常需专用打印机设置，可能不兼容简单FDM/FFF打印机。打印难度大得多，在时间紧迫下构建功能模型前，重要先用这些高性能材料练习。