Welk 3D-printerfilament is het sterkste? Expertsgids voor duurzaamheid & prestaties

Printers van de FDM/FFF (Filament Deposition Modeling/Fused Filament Fabrication) variëteit bouwen onderdelen met strengen van plastic voedselstof bekend als filamenten. Het plastic wordt gesmolten en geëxtrudeerd om het 3D-model te bouwen. Er zijn verschillende typen 3D-printerfilamenten bekend om hun sterkte en duurzaamheid. Jouw definitie van de sterkste, hangt echter af van de specifieke toepassing en eisen van het geprint onderdeel.

Er zijn twee basisinterpretaties van 'sterkte' die van toepassing kunnen zijn op het trekkgedrag van 3D-printerfilamenten. Ze hangen af van de eventuele trekkingbelasting van het afgeronde onderdeel.

In het ene geval wordt het onderdeel belast in een richting die uitgelijnd is met de filamenten. Wanneer dit het geval is, zal hoge trekksterkte in het ruwe filament vertalen in goede trekksterkte in het afgeronde item ook.

Het andere geval treedt op wanneer het onderdeel loodrecht op de printlagen belast wordt. Op dit moment wordt de 'sterkste 3D-filament' een uiting van de hechtingsterkte tussen aangrenzende gebonden filamenten, in plaats van de intrinsieke filamentsterkte. Deze laatste situatie leidt tot een definitie die kijkt naar het sterkteprobleem als 'welk filament hecht het meest veilig'.

Beide filamenteigenschappen (samen met anderen) zijn kritisch als je high-resilientie, buig-tolerante en slijtvaste modellen wilt bouwen. Je moet de eisen in de eindbuild balanceren, gericht op trekksterkte, buigsterkte, hardheid in slijtage, toughness bij impact, en meer. Elk filamenttype kan je modellen verschillende voordelen geven, maar geen enkel zal alle situaties passen. Onthoud ook dat je printer niet alle mogelijke bouwmaterialen kan accepteren, en sommige filamenten hebben meer ontwerpbeperkingen dan andere. En ongeacht welke typen je kiest, zullen de eindproductseigenschappen zwaar afhangen van de ontwerpkwaliteit en de gedachte die je stopt in design-for-manufacturing (DFM) principes.

Dit artikel zal verschillende 3D-printfilamenten onderzoeken die beschouwd worden als een balans van eigenschappen te hebben en enkele van de concepten bespreken die je in gedachten moet houden bij het ontwerpen voor ze.

Wat zijn de typen 3D-printerfilament?

FDM/FFF filamenten komen in veel materialen, met een nog breder bereik aan additieven die specifieke eigenschappen verbeteren zoals: slijtweerstand, trekksterkte, en buigtoughness. Hieronder zijn de filament basismaterialen die wijd beschouwd worden als de hoogste sterkte, toughness en duurzaamheid in 3D-geprinte modellen te bieden:

1. Polycarbonaat

Polycarbonaat (PC) filamenten produceren modellen van hoge sterkte, toughness en hittebestendigheid. Langs de filamentaxiale richting heeft het een trekksterkte van 66 MPa. De voordelen omvatten: hoge sterkte, temperatuurtolerantie, en optische helderheid. Aan de andere kant, PC kan moeilijk te printen zijn en heeft een slechte neiging om vocht te absorberen. PC kost $70-200 per kg bij 1,75 mm diameter. Zie onze gids over Wat is Polycarbonaat? voor meer informatie.

2. Nylon

Nylon-filament-gebouwde modellen zijn bekend om hun sterkte en slijtweerstand. Het materiaal heeft een trekksterkte van 50-90 MPa afhankelijk van graad. Nylon is een zacht, goedkoop materiaal. Het kan moeilijk zijn om kwaliteitsmodellen te printen, echter, en het materiaal verzwakt aanzienlijk wanneer de vochtinhoud te laag valt. Nylon kan gekocht worden voor $40-100 per kg bij 1,75 mm diameter. Zie onze gids over All About Nylon 3D Printing Filament voor meer informatie.

3. TPU

Thermoplastisch polyurethaan (TPU) bouwt hoogst veerkrachtige en elastische items die significant impact en slijtage kunnen weerstaan. De inherente elasticiteit maakt dit een 'sterk' materiaal in veel opzichten. TPU heeft een trekksterkte van 50 MPa. Het probleem is dat het makkelijk printerkoppen kan verstoppen en langzaam geprint moet worden. TPU gaat voor $30-60 per kg bij 1,75 mm diameter. Zie onze gids over Thermoplastic Polyurethane, Engineering (ETPU) voor meer informatie.

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

De trekksterkte van een 3D-printfilament beschrijft de maximale trekkingbelasting die een filament kan weerstaan voordat het ofwel breukt of ondergaat permanente (inelastische en niet-herstelbare) rek. Thermoplastische polymeren, zoals die gebruikt in FDM/FFF-printen, hebben elastische uitrekking belastinglimieten. Wanneer de belasting onder de elastische limiet van het filament is, zal het terugkeren naar de oorspronkelijke afmetingen zodra die belasting verwijderd is. Wanneer de elastische belastingsspanning overschreden wordt, treedt permanente vervorming of breuk op.

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

Impactveerkracht voor een 3D-printfilament is de maat van de reactie van het filament op plotselinge impact of schokbelasting. Een sterk materiaal zou de impactenergie moeten absorberen en vervormen zonder te breken. Het is een belangrijke eigenschap voor materialen gebruikt in mechanische onderdelen, speelgoed en beschermingsuitrusting, bijvoorbeeld.

Het moet worden opgemerkt dat de impactveerkracht van een 3D-geprint item niet uitsluitend bepaald wordt door het zelfstandige filament. Factoren zoals: bouwrighting relatief tot de impact, 'interne' roostervulconstructie/dichtheid, en filamentlaagfusie beïnvloeden ook de prestaties. In veel gevallen zullen deze factoren collectief significanter zijn dan de ruwe filament's impactkenmerken.

Wat zijn andere sterkte-metrieken gebruikt voor 3D-printerfilamenten?

Printerfilamenten hebben andere sterkte-gerelateerde eigenschappen die kritisch kunnen zijn voor je ontwerpproces. Er zijn ook sterkte-onderhoudende eigenschappen die in rekening gebracht moeten worden in deze analyse. Hoewel dit eigenschappen van het filament kunnen zijn, is het nuttiger om deze te bekijken als eigenschappen van een model, gebouwd met een filamenttype. Deze sterkte-metrieken worden hieronder vermeld:

1. Buigsterkte: Meet de weerstand van een filament of model tegen breuk of permanente vervorming bij blootstelling aan een buigkracht.
2. Uitrekking bij breuk: Meet de capaciteit van een filament of model om breuk te weerstaan onder constante trekkingbelasting door permanente (inelastische) vervorming te lijden naarmate de belasting toeneemt. Wanneer er uiteindelijk breuk optreedt, zal plastische vervorming meetbaar zijn aan beide kanten van de breuk.
3. Schuifsterkte: Meet de capaciteit van een materiaal of model om breuk of vervorming onder schuifbelasting te weerstaan. De schuifsterkte van het bulk materiaal is slechts licht gerelateerd aan de schuifsterkte van een geprint onderdeel. Schuifbelastingssituaties zijn vaak complex en vertegenwoordigen geen zuivere schuif van het materiaal. Dit maakt daadwerkelijke testresultaten veel meer afhankelijk van printoriëntatie, onderdeelontwerp en belastingsscenario's dan de basisfilamenteigenschap.
4. Druksterkte: Meet de capaciteit van een filament of model om krachten te weerstaan die het comprimeren of verpletteren. Dit is afwijkend van de neiging van het model om als geheel te buigen onder compressie — een situatie die steunt op buigveerkracht in plaats daarvan. In de realiteit zal de druksterkte van het filament slechts licht gerelateerd zijn aan die van een 3D-print, tenzij de print massief en extreem simpel is in termen van doorsnede.
5. Slijtweerstand: Meet de oppervlakteweerstand van een filamentmodel tegen falen door scherven of slijpen wanneer herhaald aangedreven door een vergelijkbaar harde (of harder) materiaal.
6. Vermoeidingsweerstand: Definieert de tolerantie van het materiaal tegen cyclische belasting die zijn fysische grenzen benadert. Rek snelheid, hersteltijd en totaal aantal cycli voor dergelijke belasting kunnen allemaal negatief het materiaal beïnvloeden. Dat kan een functie zijn van bouwrighting en andere bouwparameters evenals de kerneigenschappen van het materiaal zelf.
7. Scheursterkte: Meet de capaciteit van een filament en het model om te scheuren te weerstaan. Dit zal een functie zijn van printparameters wanneer de scheur langs de laagvlakken gebeurt. Alleen wanneer de scheur in de filamentaxiale richting gebeurt, is deze sterkte volledig gebaseerd op de intrinsieke eigenschappen van het materiaal. Scheuren en schuiven zijn nauw verwante modi.
8. Hittebestendigheid: Definieert de capaciteit van een model om zijn andere eigenschappen te behouden naarmate temperaturen stijgen. Als de polymere een hoge glasovergangstemperatuur heeft, zal het hogere gebruiks temperaturen tolereren voordat het verzwakt.
9. Kruipweerstand: Definieert de capaciteit van een model om dimensionale stabiliteit te behouden onder een constante belasting die door langdurige periodes voortduurt.
10. Chemische weerstand: Definieert de capaciteit van een materiaal om zijn eigenschappen te behouden wanneer blootgesteld aan harde chemicaliën zoals oplosmiddelen, zuren en basen, of condities zoals UV-blootstelling.

Enkele van de bovenstaande parameters zullen nauw aansluiten bij de basiseigenschappen van het filamentmateriaal terwijl anderen extreem afhankelijk zijn van het ontwerp en de configuratie van het geprint item.

Wat is Filament voor 3D-printers?

3D-printerfilament is de polymere voedselstof die door de printerextruder gevoerd wordt en gesmolten voor de constructie van geprint modellen. Deze voedselstof kan een van een reeks polymeren zijn en kan andere additieven bevatten die de polymereigenschappen wijzigen. De filamentvoedselstof wordt geleverd op kant-en-klaar rollen die materiaal leveren aan de extruder van een vaste positie, door een geleiding. Het filament wordt gegrepen door een voedermechanisme van tandwielen of knijpwielen dat het van de rol trekt en door de verwarmde uitstootmond van de extruder duwt wanneer vereist.

Wat is een High-Performance Polymere?

High-performance polymeren worden gedifferentieerd van meer gangbare materialen door een aantal mogelijke materiaalkenmerken. High-performance materialen zijn meestal superieur in ten minste een van deze kenmerken:

1. Trekksterkte
2. Schuifsterkte
3. Buigsterkte
4. Temperatuurlimiet voordat eigenschappen beginnen te degraderen
5. Chemische veerkracht
6. Slijtveerkracht
7. Kruipweerstand
8. Elasticiteit

Wat is Composiet Filament?

Composiet filamenten voor FDM/FFF zijn 3D-printfilamenten die additieven binnen het basisfilamentpolymeer bevatten. Additieven zoals houtvezel, metaalpoeders, koolstof of Kevlar® vezel, en veel andere materialen worden gebruikt om specifieke eigenschappen van basale en high-performance printpolymers te verbeteren. De composieten zijn bedoeld om de eigenschappen of functionaliteit te verbeteren ten opzichte van zuivere polymeren.

Houtvezels met ronde doorsnedes en gladde oppervlakken verbeteren de sterkte, stijfheid en dichtheid van geprinte onderdelen. Kevlar®, koolstofvezel, of graphene-geladen filamenten neigen ertoe superieure sterkte, toughness en stijfheid te hebben. In grote genoeg proporties kan graphene het materiaal zelfs elektrisch geleidend maken. Filamenten die poeders van brons, koper en roestvrij staal bevatten, bieden geen versterkte sterkte maar kunnen metaalachtige uiterlijken creëren. Composiet filamenten staan je toe om een of meer eigenschappen van 3D-geprinte onderdelen te wijzigen, maar er zijn printproblemen die dergelijke materialen moeilijk te gebruiken kunnen maken in simpelere machines.

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

Het sterkste 3D-printerfilament hangt af van specifics zoals: verwachte belastingstype, belastingintensiteit, ontwerp-bouwrighting en vuldichtheid van het 3D-geprinte onderdeel. Echter, de volgende zijn de sterkste 3D-printerfilamenten momenteel beschikbaar:

1. Koolstofvezel-versterkt Nylon: Dit combineert de sterkteverhoging van koolstofvezeladditieven met de toughness en duurzaamheid van nylon, wat het doorgaans de sterkste 3D-printmateriaal maakt.
2. Polycarbonaat: PC is een zacht en duurzaam filament dat hoge temperaturen kan weerstaan. Het biedt uitstekende impactweerstand, onder andere high-performance eigenschappen.
3. Polyetherimide (Ultem / PEI): Een thermoplast met uitstekende sterkte, hittebestendigheid en chemische weerstand, Ultem ziet wijd gebruik in luchtvaartcomponenten prototyping.

Het is belangrijk om te noteren dat deze filamenten vaak gespecialiseerde printerinstellingen zullen vereisen en goed niet compatibel kunnen zijn met eenvoudigere FDM/FFF-printers. Ze kunnen aanzienlijk moeilijker te printen zijn, dus het is belangrijk om te oefenen met deze high-performance materialen voordat je probeert functionele modellen te bouwen onder tijdsbeperkingen.