Welk 3D-printerfilament is het sterkste? Deskundige gids voor duurzaamheid en prestaties

Printers van de FDM/FFF-variant (Filament Deposition Modeling/Fused Filament Fabrication) bouwen onderdelen met behulp van strengen plastic grondstof die bekend staan als filamenten. Het plastic wordt gesmolten en geëxtrudeerd om het 3D-model te bouwen. Er zijn verschillende soorten 3D-printerfilamenten die bekend staan ​​om hun sterkte en duurzaamheid. Uw definitie van de sterkste hangt echter af van de specifieke toepassing en vereisten van het geprinte onderdeel. 

Er zijn twee basisinterpretaties van ‘sterkte’ die van toepassing kunnen zijn op het trekgedrag van 3D-printerfilamenten. Ze zijn afhankelijk van de uiteindelijke trekbelasting van het voltooide onderdeel. 

In één geval wordt het onderdeel geladen in een richting die uitgelijnd is met de filamenten. Wanneer dit het geval is, zal de hoge treksterkte van het ruwe filament zich ook vertalen in een goede treksterkte van het eindproduct. 

Het andere geval doet zich voor wanneer het onderdeel loodrecht op de lagen van de afdruk wordt geladen. Op dit punt wordt het ‘sterkste 3D-filament’ een uitdrukking van de adhesiesterkte tussen aangrenzende gebonden filamenten, in plaats van de intrinsieke filamentsterkte. Deze laatste situatie leidt tot een definitie die het sterkteprobleem beschouwt als ‘welk filament het veiligst hecht.’

Beide filamenteigenschappen (samen met andere) zijn van cruciaal belang als u modellen met hoge veerkracht, flextolerantie en slijtvastheid wilt bouwen. Je moet de eisen bij de uiteindelijke constructie in evenwicht brengen, waarbij je je richt op treksterkte, buigsterkte, hardheid bij slijtage, taaiheid bij impact en meer. Elk filamenttype kan uw modellen verschillende voordelen bieden, maar niemand is geschikt voor alle situaties. Houd er ook rekening mee dat uw printer mogelijk niet alle mogelijke bouwmaterialen accepteert, en dat sommige filamenten meer ontwerpbeperkingen hebben dan andere. En welke typen u ook kiest, de eigenschappen van het eindproduct zullen sterk afhangen van de kwaliteit van het ontwerp en de gedachte die u besteedt aan de principes van design-for-manufacturing (DFM).

In dit artikel worden verschillende 3D-printfilamenten onderzocht waarvan wordt aangenomen dat ze een evenwicht aan eigenschappen hebben, en worden enkele concepten besproken waarmee u rekening moet houden bij het ontwerpen ervan. 

Wat zijn de soorten 3D-printerfilament?

FDM/FFF-filamenten zijn verkrijgbaar in vele materialen, met een nog breder scala aan additieven die bepaalde eigenschappen verbeteren, zoals:slijtvastheid, treksterkte en buigsterkte. Hieronder staan de filamentbasismaterialen waarvan algemeen wordt aangenomen dat ze de hoogste sterkte, taaiheid en duurzaamheid bieden in 3D-geprinte modellen:

1. Polycarbonaat

Polycarbonaat (PC)-filamenten produceren modellen met een hoge sterkte, taaiheid en hittebestendigheid. Langs de axiale richting van het filament heeft het een treksterkte van 66 MPa. De voordelen zijn onder meer:​​hoge sterkte, temperatuurtolerantie en optische helderheid. Aan de andere kant kan PC moeilijk zijn om mee te printen en heeft het een slechte neiging om vocht te absorberen. PC kost $ 70-200 per kg bij een diameter van 1,75 mm. Raadpleeg onze gids over Wat is polycarbonaat?

2. Nylon

Modellen met nylonfilament staan bekend om hun sterkte en slijtvastheid. Het materiaal heeft een treksterkte van 50-90 MPa, afhankelijk van de kwaliteit. Nylon is een sterk, goedkoop materiaal. Het kan echter moeilijk zijn om kwaliteitsmodellen af ​​te drukken en het materiaal verzwakt ernstig als het vochtgehalte te laag wordt. Nylon kan worden gekocht voor $ 40-100 per kg met een diameter van 1,75 mm. Raadpleeg onze gids Alles over nylon 3D-printfilament voor meer informatie.

3. TPU

Thermoplastisch polyurethaan (TPU) zorgt voor zeer veerkrachtige en elastische artikelen die bestand zijn tegen aanzienlijke schokken en slijtage. De inherente elasticiteit maakt dit in veel opzichten een ‘sterk’ materiaal. TPU heeft een treksterkte van 50 MPa. Het probleem is dat het de spuitmondjes van de printer gemakkelijk kan verstoppen en langzaam moet worden afgedrukt. TPU kost $ 30-60 per kg bij een diameter van 1,75 mm. Voor meer informatie, zie onze gids over Thermoplastisch Polyurethaan, Engineering (ETPU).

Wat wordt bedoeld met treksterkte voor het 3D-printerfilament?

De treksterkte van een 3D-printfilament beschrijft de maximale trekbelasting die een filament kan weerstaan voordat het breekt of permanent (inelastisch en onherstelbaar) uitrekt. Thermoplastische polymeren, zoals die gebruikt bij FDM/FFF-printen, hebben elastische rekbelastingslimieten. Wanneer de belasting onder de elastische limiet van het filament ligt, keert het terug naar de oorspronkelijke afmetingen zodra de belasting wordt verwijderd. Wanneer de elastische belastingsspanning wordt overschreden, treedt permanente vervorming of breuk op.

Wat wordt bedoeld met slagsterkte voor het 3D-printerfilament?

De schokbestendigheid van een 3D-printfilament is de maatstaf voor de reactie van het filament op plotselinge impact of schokbelasting. Een sterk materiaal moet de impactenergie absorberen en vervormen zonder te breken. Het is een belangrijke eigenschap voor materialen die bijvoorbeeld worden gebruikt in mechanische onderdelen, speelgoed en beschermende uitrusting.

Opgemerkt moet worden dat de schokbestendigheid van een 3D-geprint item niet uitsluitend wordt bepaald door het op zichzelf staande filament. Factoren zoals:bouwrichting ten opzichte van de impact, ‘interne’ roostervullingsconstructie/dichtheid en samensmelting van de filamentlaag hebben ook invloed op de prestaties. In veel gevallen zullen deze factoren gezamenlijk belangrijker zijn dan de impacteigenschappen van het ruwe filament. 

Welke andere sterktegegevens worden gebruikt voor 3D-printerfilamenten?

Printerfilamenten hebben andere sterktegerelateerde eigenschappen die van cruciaal belang kunnen zijn voor uw ontwerpproces. Er zijn ook sterktebehoudende eigenschappen waarmee bij deze analyse rekening moet worden gehouden. Hoewel dit eigenschappen van het filament kunnen zijn, is het nuttiger om deze als eigenschappen van een model te bekijken , gebouwd met behulp van een filamenttype . Deze sterktestatistieken worden hieronder vermeld:

1. Buigsterkte: Meet de weerstand van een filament of model tegen breuk of permanente vervorming bij blootstelling aan buigkracht. 
2. Rek bij breuk: Meet het vermogen van een filament of model om breuk te weerstaan onder constante trekbelastingen door permanente (inelastische) vervorming te ondergaan naarmate de belasting toeneemt. Wanneer er uiteindelijk een breuk ontstaat, zal aan weerszijden van de breuk plastische vervorming meetbaar zijn.
3. Afschuifsterkte: Meet het vermogen van een materiaal of model om breuk of vervorming onder schuifbelasting te weerstaan. De schuifsterkte van het bulkmateriaal is slechts in geringe mate gerelateerd aan de schuifsterkte van een bedrukt onderdeel. Situaties met afschuifbelasting zijn vaak complex en vertegenwoordigen geen pure afschuiving van het materiaal. Hierdoor zijn de daadwerkelijke testresultaten veel afhankelijker van de printrichting, het onderdeelontwerp en de belastingsscenario's dan van de fundamentele filamenteigenschap.
4. Druksterkte: Meet het vermogen van een filament of model om krachten te weerstaan die het comprimeren of verpletteren. Dit verschilt van de neiging van het model om als geheel onder druk te buigen – een situatie die in plaats daarvan afhankelijk is van buigveerkracht. In werkelijkheid zal de druksterkte van het filament slechts in geringe mate overeenkomen met die van een 3D-print, tenzij de print stevig is en qua doorsnede uiterst eenvoudig. 
5. Slijtvastheid: Meet de oppervlakteweerstand van een filamentmodel tegen falen door afbrokkelen of slijpen wanneer het herhaaldelijk wordt geschuurd door een vergelijkbaar hard (of harder) materiaal.
6. Vermoeidheidsweerstand: Definieert de tolerantie van het materiaal ten opzichte van cyclische belasting die zijn fysieke grenzen nadert. De reksnelheid, de hersteltijd en het totale aantal cycli voor een dergelijke belasting kunnen allemaal een negatieve invloed hebben op het materiaal. Dat kan een functie zijn van de bouwrichting en andere bouwparameters, maar ook van de belangrijkste eigenschappen van het materiaal zelf. 
7. Scheursterkte: Meet het vermogen van een filament en het model om weerstand te bieden aan scheuren. Dit zal een functie zijn van de afdrukparameters wanneer de scheur zich langs de laagvlakken bevindt. Alleen wanneer de scheur in de axiale richting van het filament plaatsvindt, is deze sterkte volledig gebaseerd op de intrinsieke eigenschappen van het materiaal. Scheuren en afschuiven zijn nauw verwante modi.
8. Hittebestendigheid: Definieert het vermogen van een model om zijn andere eigenschappen te behouden als de temperatuur stijgt. Als het polymeer een hoge glasovergangstemperatuur heeft, zal het hogere gebruikstemperaturen verdragen voordat het verzwakt.
9. Kruipweerstand: Definieert het vermogen van een model om zijn dimensionale stabiliteit te behouden onder een constante belasting die gedurende langere perioden aanhoudt.
10. Chemische weerstand: Definieert het vermogen van een materiaal om zijn eigenschappen te behouden bij blootstelling aan agressieve chemicaliën zoals oplosmiddelen, zuren en basen, of omstandigheden zoals blootstelling aan UV. 

Sommige van de bovenstaande parameters komen nauw overeen met de basiseigenschappen van het filamentmateriaal, terwijl andere extreem afhankelijk zijn van het ontwerp en de configuratie van het gedrukte item. 

Wat is filament voor 3D-printers?

3D-printerfilament is de polymeergrondstof die door de printerextruder wordt gevoerd en gesmolten voor de constructie van gedrukte modellen. Deze grondstof kan elk van een reeks polymeren zijn en kan andere additieven bevatten die de polymeereigenschappen wijzigen. De filamentvoeding wordt geleverd op kant-en-klare rollen die materiaal vanuit een vaste positie via een geleider naar de extruder voeren. Het filament wordt vastgegrepen door een toevoermechanisme met tandwielen of knijpwielen die het van de spoel trekken en indien nodig door het verwarmde mondstuk van de extruder duwen.

Wat is een hoogwaardig polymeer?

Hoogwaardige polymeren onderscheiden zich van meer voetgangersmaterialen door een aantal mogelijke materiaaleigenschappen. Hoogwaardige materialen zijn doorgaans superieur op ten minste één van deze kenmerken: 

1. Treksterkte
2. Dwarssterkte
3. Buigsterkte
4. Temperatuurlimiet voordat eigenschappen beginnen te verslechteren
5. Chemische veerkracht
6. Draag veerkracht
7. Kruipweerstand
8. Elasticiteit

Wat is composietfilament?

Composietfilamenten voor FDM/FFF zijn 3D-printfilamenten die additieven bevatten in het basisfilamentpolymeer. Additieven zoals houtvezels, metaalpoeders, koolstof- of Kevlar®-vezels en vele andere materialen worden gebruikt om bepaalde eigenschappen van basis- en hoogwaardige printpolymeren te verbeteren. De composieten zijn bedoeld om de eigenschappen of functionaliteit te verbeteren ten opzichte van die van pure polymeren. 

Houtvezels met ronde doorsneden en gladde oppervlakken verbeteren de sterkte, stijfheid en dichtheid van geprinte onderdelen. Met Kevlar®, koolstofvezel of grafeen geladen filamenten hebben doorgaans superieure sterkte, taaiheid en stijfheid. In voldoende grote hoeveelheden kan grafeen het materiaal zelfs elektrisch geleidend maken. Filamenten die poeders van brons, koper en roestvrij staal bevatten, bieden geen verbeterde sterkte, maar kunnen een metaalachtig uiterlijk creëren. Met composietfilamenten kunt u een of meer eigenschappen van 3D-geprinte onderdelen wijzigen, maar er zijn printproblemen waardoor dergelijke materialen moeilijk te gebruiken zijn in eenvoudigere machines.

Wat is het sterkste 3D-printerfilament dat ik kan kiezen?

Het sterkste 3D-printerfilament zal afhangen van specifieke kenmerken zoals:verwacht belastingstype, belastingsintensiteit, ontwerp-bouworiëntatie en vuldichtheid van het 3D-geprinte onderdeel. Dit zijn echter de sterkste 3D-printerfilamenten die momenteel beschikbaar zijn:

1. Met koolstofvezel versterkt nylon: Dit combineert de sterkteverbetering van koolstofvezeladditieven met de taaiheid en duurzaamheid van nylon, waardoor dit over het algemeen het sterkste 3D-printmateriaal is.
2. Polycarbonaat: PC is een sterk en duurzaam filament dat bestand is tegen hoge temperaturen. Het biedt uitstekende slagvastheid en andere hoogwaardige prestatie-eigenschappen.
3. Polyetherimide (Ultem / PEI): Ultem is een thermoplast met uitstekende sterkte, hittebestendigheid en chemische bestendigheid en wordt veelvuldig gebruikt bij het maken van prototypes van componenten in de lucht- en ruimtevaart.

Het is belangrijk op te merken dat deze filamenten vaak gespecialiseerde printerinstellingen vereisen en mogelijk niet compatibel zijn met eenvoudigere FDM/FFF-printers. Ze kunnen aanzienlijk moeilijker te printen zijn, dus het is belangrijk om met deze hoogwaardige materialen te oefenen voordat u onder tijdsdruk probeert functionele modellen te bouwen.