优化 3D 打印部件以获得最大强度：材料、设置和应用

本文讨论了如何通过选择合适的材料（如 PEEK、尼龙）、探索打印设置优化技术（包括填充密度、方向、外壳厚度和退火等后处理）来打印出具有高强度特性的 3D 零件。它还涵盖了将高强度三维打印件用于功能原型、终端部件和机械辅助设备的应用。

3D 打印部件：2024 年实现更坚固、高精度打印的最佳薄膜

根据表格中显示的技术发展趋势，使用 三维打印 目前，这种技术已开始应用于生产可能面临结构和机械负荷的功能部件、工具、仪器和结构。然而，要满足结构部件的机械性能要求，仅靠 "打印部件 "的模式是不够的；材料的选择、打印机的设置以及后处理都必须达到最佳状态，以实现最大的实际强度。

在本文中，我们将探讨适合功能性用途的 3D 打印部件所涉及的各个方面。首先，我们将介绍常用的机械性能材料，如尼龙、聚碳酸酯和高性能材料，如 PEEK。了解如何有效利用这些材料的强度潜力是关键。

然后，我们将深入探讨 三维打印机 这些参数的设置，如填充模式、部件方向、外壳厚度等，都会影响打印部件的强度。优化这些参数对实现材料的真正性能起着重要作用。此外，还将介绍进一步提高强度的后处理技术。

最后，将重点介绍有效利用具有高机械完整性的 3D 打印部件的实际应用。本文旨在为原型设计、模具制造和生产应用中打印耐用部件提供全面指导。

材料强度的定义

拉伸强度

拉伸强度是一种材料在拉伸过程中能承受的拉伸应力的量度，拉伸应力被拉伸到材料的颈部或断裂点。他们可以将其定义为材料在断裂时或拉伸至断裂点时所能承受的最大应力。它的单位是每平方英寸帕斯卡或磅力，缩写为 psi。材料的拉伸强度被认为是潜在的拉伸应力，即具有拉伸强度潜力的材料。

伸长率

伸长率的定义是材料在拉伸应力作用下失效前达到的延伸率。通常以材料失效前原始长度或宽度的百分比变化来表示。材料的伸长率越高，说明材料在实际断裂前可以被进一步拉伸。与伸长率一样，伸长率也是表征材料延展性或延展性的重要数值。

抗冲击性

三维打印部件材料在载荷作用下承受断裂或开裂的能力称为抗冲击性。评估特定材料抗冲击性的两种常见试验是伊佐德（Izod）或夏比（Charpy）冲击试验。在这种试验中，缺口样品会受到称重摆锤的单次摆动或单次冲击。测定用于断裂能的吸收冲击能。也就是说，冲击强度或吸收能量较高的材料可以承受突然的冲击载荷而不会断裂。

耐化学性

尼日利亚的耐化学性是指一种材料（这里指涂层织物）在与化学品、酸、碱、盐或溶剂接触时保持不变的能力，或者如果要降解，如何降解的能力。通过浸泡测试或其他方法，根据材料在化学溶液中的性能对其进行分级。有可能出现材料直接融化的情况，当材料与化学品接触时，部分材料可能会膨胀，甚至变得脆弱。耐化学性材料在与化学品接触时，其特性会保持不变，但外观或结构会发生退化。

抗紫外线

抗紫外线性能是衡量一种材料能否经受住主要来自太阳的紫外线的破坏。在所有暴露于室外环境的材料中，有哪些材料具有抗紫外线能力？ 塑料 3D 打印 和聚合物在紫外线照射下很容易降解。紫外线降解通常是由光化学反应引起的，化学键断裂，沿着与光源方向垂直的线产生颜色变化、应力开裂或应力腐蚀。在暴露于阳光或紫外线灯的条件下，抗紫外线能力较强的材料使用寿命较长。

耐温性

耐温性是指材料在高温和低温条件下保持机械和物理特性的能力。大多数材料在使用温度范围之外会软化或硬化。用于高温应用的材料在高温下仍能保持强度和其他性能。而耐低温材料则能在零下温度下保持延展性和抗冲击性。

热变形温度

热变形温度 (HDT) 或热变形温度是指聚合物或塑料样品在特定载荷下无法保持形状的温度。该载荷的标准值通常为 4.45 千帕或 0.125 兆帕。HDT 用于衡量热塑性塑料的耐热性。这很简单，因为 HDT 值所显示的结晶度会影响塑料材料的耐热性。高温塑料在高温下不会变形、收缩、膨胀或发生其他化学变化，也不会发生机械故障。

常用 3D 打印材料

聚碳酸酯（PC）

聚碳酸酯是一种热塑性塑料，与 ABS 等其他 3D 打印部件材料相比，具有更高的抗冲击强度、尺寸稳定性和耐热性。聚乙二醇的玻璃化温度约为 147 摄氏度。 个人电脑 这些部件的透明度很高，非常透明，绝对清晰。不过，PC 比 ABS 更难打印，因为它需要更高的打印温度（约 250-300°C）。它可用于制作透明耐用的外壳、医疗设备和原型。PC 对酒精、酸和碱具有很好的耐化学性。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）

ABS 是最常见的热塑性材料之一。 三维打印工具 由于其价格便宜，而且与家庭使用的 3D 打印部件兼容。它在强度、刚度、韧性和耐用性之间取得了良好的平衡，因此成为最受欢迎的材料。ABS 材料具有相当好的耐冲击性和耐热性，HDT 约为 95°C，可承受 80°C 的高温。ABS 部件可完全用于 JL 功能原型、电子外壳等。但是，在印刷时，ABS 会释放出有害的挥发性气体，因此必须在封闭的环境中进行印刷。这种材料不能长期用于 医疗 和 航天 工业

聚乳酸（PLA）

PLA 是一种环保、柔软的热塑性塑料，由可再生植物原料制成，如玉米淀粉、木薯根和甘蔗等。

.它可以替代 ABS，在 3D 打印部件时不会对健康造成不良影响，而且对环境友好。聚乳酸的热稳定性相对较低，Tg 在 50 至 60°C 之间。不过，它的翘曲度较低，无需外壳即可轻松打印。聚乳酸刚度高，耐化学腐蚀，可以退火，随后上色。聚乳酸通常用于制作模型、非结构性部件和原型。不过，使用聚乳酸也有一个缺点，那就是当它接触到水分时容易膨胀，从而变形。

尼龙

尼龙或聚酰胺是热塑性塑料的一种，具有良好的强度和刚度以及适度的耐温性。它们的熔点分别为 215°C 和 178°C，可用于 尼龙 6 和尼龙 12（塑料）。这些材料可持续承受 80-100°C 的温度波动。尼龙 3D 打印部件具有很强的耐磨性，因此由于其强度高，非常适合制作功能部件。另外，由于需要使用外壳和加热构建平台，尼龙与 ABS 和 PLA 一样具有打印挑战性。尼龙常用于制造齿轮、滑轮、外壳和需要耐久性的机器零件。

PEEK 和碳纤维丝

PEEK 或聚醚醚酮是一种高性能工程热塑性塑料，用于航空航天、汽车和电信行业。它具有较高的热稳定性，熔点约为 343°C，并具有良好的机械性能、化学惰性和生物相容性。40% 更高的强度和 80% 更高的刚度来自于碳纤维增强材料的使用。 PEEK.然而，这些材料带来了非常高的 3D 打印部件温度，其中一些高达 380 摄氏度。这使它们更适合用于制造医疗植入物、航空航天部件和其他高强度部件。

虽然 ABS 在 3D 打印部件中有大量应用，但其高材料和高成本的特性也是其缺点之一。 3D 打印机成本 因此，它们不如其他 3D 打印材料受欢迎。总之，材料的选择取决于应用所需的特定机械、热和化学特性。聚乳酸（PLA）、ABS 和尼龙在成本、易用性和耐用性方面实现了良好的平衡，而 PC、PEEK 和碳纤维则适用于更专业的高性能应用。此外，还必须考虑耐温性、成本、可印刷性和环境影响方面的限制。

高性能尼龙介绍：PA11 和 PA12

PA12

PA12尼龙 12 是一种高性能聚酰胺，属于工程热塑性塑料，与 PA11 相比，具有更高的低温冲击强度。它的玻璃化温度为 -45°C，熔点约为 178°C，非常适合在 0°C 以下连续使用。PA12 具有极低的吸湿性、自润滑性和耐磨性，因此适用于汽车、航空航天和各种需要在宽温度范围内具有高刚性和低热膨胀系数的消费品。

HP PA11 与 PA12

HP PA11 和 HP PA12 的机械性能都令人印象深刻，与 HP PA11 相比，HP PA12 具有更好的柔韧性和低温冲击强度。相比之下，PA11 的耐化学性更好，热变形温度略高于 PPA。在机加工性能方面，PA11 略优于 PA12。总的来说，PA11 适合需要在从零度以下到高温的广泛温度范围内具有耐久性的应用。PA12 专门针对要求在 0°C 以下温度条件下具有柔韧性和抗冲击性的应用进行了优化。因此，在低温条件下，PA12 可能是首选，而在其他应用中，PA11 的性能与 PA12 相当。这两种材料极大地扩展了聚酰胺的工作极限。

优化打印强度设置

填充类型和密度

填充指的是 金属三维打印.常见的填充图案包括线条、网格、三角形、蜂窝等。与 20% 以下的稀疏填充相比，60-100% 等填充百分比较高的密集填充会使部件更加坚固。但是，更密集的填充会增加 3D 打印部件的时间，并使用更多的材料。蜂窝状或三角形图案能很好地平衡强度和材料用量。填充物的正确选择取决于部件的负载和强度要求。

部件定向

三维打印部件的方向对其强度特性有重大影响。对于承受拉伸或弯曲载荷的部件，将各层平行于受力方向可获得最大强度。与平面方向相比，部件的垂直方向会降低强度。还应该考虑关键位置的应力集中问题。悬垂部分可能需要支撑结构，这取决于部件的几何形状和材料。

外壳厚度

壳体是指零件的实心外壁。加厚的外壳可以提高零件的刚度、尺寸精度和强度。建议基本部件至少有 2 个周长或外壳。重载零件可能需要至少 1.2-1.5 倍喷嘴厚度的外壳。喷嘴宽度低于 60-80% 的极薄外壳容易开裂和损坏。可通过最大强度测试来确定最佳壳体厚度。

总之，调整填充百分比、沿受力方向正确定位部件以及调整外壳厚度有助于根据预期载荷和应用最大限度地提高 3D 打印部件的强度。对于安全性至关重要的应用，通过原型测试来验证优化设置是一种很好的做法。

为增强强度而进行的后期处理

退火

退火是一种常用的后处理技术，用于提高由 ABS、PLA 和尼龙等热塑性材料制成的 3D 打印部件的强度和抗冲击性。

在 3D 打印部件过程中，快速加热和冷却循环会导致打印层和部件内部产生残余应力。退火有助于缓解这些内应力，方法是将打印部件缓慢加热到玻璃化转变点以下的温度。

例如，ABS 部件的退火温度为 80-100°C，而 PLA 的退火温度为 55-65°C。部件在此温度下保持 1-2 小时，然后在退火室或烤箱内缓慢冷却。

通过缓慢加热和冷却使聚合物链松弛，退火可降低残余应力，实现 3D 打印部件的应力释放。因此，15-30% 的层粘附性得到了改善，韧性和冲击强度也得到了提高。

较低的残余应力还能防止零件受力时裂纹的早期扩展。退火后的零件具有更高的抗弯曲和抗冲击性能，因此适用于承重应用。

退火是一种简单的打印后工艺，可在不改变三维打印部件尺寸的情况下提高其机械可靠性。它有助于零件达到打印材料的最大理论强度特性。

强力三维打印的应用

功能原型

通过三维打印技术，可以快速制作具有工作机械和运动功能的功能部件和原型。通过优化三维打印部件的强度设置，可以制作出最终原型，并在生产前进行配合、形状和有限的功能测试。例如，打印外壳、铰链、齿轮和机械组件。优化可确保原型能够承受与最终使用条件类似的力、冲击和反复循环。

最终用户组件

高强度三维打印部件扩展了打印小批量最终部件和定制部件的能力。假肢、工业设备、医疗植入物和可穿戴技术等领域都受益于定制的高强度三维打印部件。打印具有最大强度的夹具、夹具、外壳和其他机器部件可实现单件生产和按需更换。

生产辅助工具

3D 打印零件模具、图案、夹具和固定装置有助于加快生产流程。耐用的 3D 打印铸造模具有助于小批量金属铸造。坚固的装配夹具可提高定位精度。通过优化，维护工具、质量检测辅助工具和装配线辅助工具的强度得到提高。高强度打印可确保制造辅助工具满足长时间重复使用的要求。

总之，优化打印设置可将三维打印的应用范围从模型扩展到最终使用的功能部件、原型和制造辅助设备。最大强度意味着更高的可行性、可靠性和成本节约。

使用 PA11 和 PA12 的案例研究

GoProto 和 Ropes Edge：PA12 可保护生命支持绳索

GoProto 用 PA12 制作出了低摩擦护套原型，用于替代 PEEK 护套，用于支持生命的攀岩绳索。PA12 护套可承受坠落或山地救援过程中的动态负载和零下温度。Ropes Edge 的测试表明，在磨损条件下，PA12 护套的使用寿命比 PEEK 长 10 倍，从而保护了登山者的安全。

DustRam 使用 PA12 生产坚固的瓷砖拆除工具

DustRam 生产硬质合金尖头瓷砖铲除工具。尼龙 12 的硬度、自润滑性和耐化学性使工具能够承受刮瓦的力量而不会损坏或磨损。PA12 的低吸湿性可防止金属部件生锈。PA12 可以帮助 DustRam 生产出经久耐用的防锈工具，经得起多年的商业使用。

Bowman 通过 PA11 提高轴承性能

Bowman 生产高精度轴承、密封件和 O 形圈。PA11 提高了轴承密封件在 -50°C 至 135°C 各种温度条件下的性能。PA11 密封件可承受振动和压力，在轴承寿命期间不会出现应力开裂或渗油现象。PA11 提高了轴承的可靠性，将应用范围扩大到海上钻井平台和采矿设备等恶劣环境。

总之，PA11 和 PA12 为安全关键型应用、恶劣工作条件和宽温度范围提供了材料解决方案。它们的高性能特性使其在制造耐用部件和工具时具有更高的性能 机械稳定性.

惠普喷射熔融打印机和材料

探索惠普材料组合

惠普为其工业喷射熔融三维打印部件解决方案提供各种优化材料。HP 3D High Reusability PA 12 材料可为功能部件提供耐用性、拉伸强度和弹性。HP 3D 高重复使用性 PP 材料可用于生产需要耐化学性的各种应用。

工程师 惠普多重喷射融合技术 3D 高重复使用性 CB PA 12 材料将 PA 12 的强度和韧性与碳纤维加固相结合。HP 3D 高重复使用性玻璃填充尼龙材料具有刚性、耐热性和低膨胀性。

惠普还与材料供应商合作，拓宽了 3D 打印部件的可能性。这使得设计人员可以使用各种特定行业的感光聚合物、弹性体、热塑性塑料和复合材料。

使用喷射熔融打印机有效组合材料

HP Jet Fusion 打印机通过单一的多代理打印流程实现了多材料三维打印。这有助于通过组合具有不同特性的材料来优化零件。

例如，可将柔性材料与刚性材料混合，生产出具有均衡伸展性和硬度的垫圈和密封件。导电负载塑料与绝缘体混合后可用于电子零件。

此外，不同密度的材料有助于控制声音传播特性。使用木丝或碳纤维丝的复合材料部件可获得美观和结构上的优势。

使用 HP Jet Fusion 将不同材料打印在一起的能力扩展了功能性 原型制作中的 3D 打印 与单一材料三维打印部件相比，三维打印部件在设计和生产部件方面具有更多可能性。这推动了各行业更复杂的应用。

结论

总之，聚碳酸酯、ABS、尼龙等各种材料以及 PEEK、碳纤维和半结晶尼龙等高性能材料为 3D 打印部件应用提供了足够的强度。填充密度、零件沿负载路径的方向和外壳厚度等参数可根据零件设计和预期用途进行优化。退火等后处理技术有助于进一步释放应力和提高强度。

合适的案例研究展示了 PA11 和 PA12 等材料如何满足安全关键设备、宽温度耐受性和耐用性的需求。HP Jet Fusion 等先进系统可将材料组合成复合材料和多性能部件。随着高强度材料的出现和工艺的优化，3D 打印现在已经能够生产出功能性最终使用部件、工具和原型，而不仅仅局限于原型应用。

常见问题

问：如何为我的应用选择合适的材料？

答：考虑零件所需的机械性能、工作环境和预期用途。耐热性、耐化学性、冲击强度等性能决定了材料的选择。

问：最常见的高强度功能部件材料是什么？

答：对于原型制作，由于 ABS、尼龙或聚碳酸酯具有良好的强度成本比，因此大多数功能部件都采用这些材料打印。对于工业部件，通常使用玻璃填充尼龙或碳纤维增强材料。

问：填充物对强度的影响真的那么大吗？

答：是的，填充物在决定零件强度方面起着重要作用，尤其是在负载情况下。与 20% 以下的稀疏图案相比，60-100% 等高密度填充物的强度要高得多。

问：如何优化关键承重部件的强度？

答：通过原型测试验证最佳设置，如 100% 填充、沿载荷方向定向、增加外壳厚度。考虑进行退火等后处理，以最大限度地提高强度。