最结实的 3D 打印机耗材是什么？数据表上究竟怎么说

对耗材而言，“强度”究竟意味着什么？

“强”这个词涵盖了几种不同的性能,厂商数据表对它们做了细致的区分:刚性,即抵抗在载荷下变形的能力;韧性,即吸收冲击而不断裂的能力;耐热性,即零件开始变形的温度;以及蠕变,即零件在持续载荷下随时间缓慢发生的变形。

一种耗材可能在其中一项上表现出色,而在另一项上令人失望:碳纤维提高了厂商测得的刚性,但有时会降低冲击硬度,Prusament关于其碳纤维PETG的数据表就指出了这一点。选择最强的耗材,首先要确切知道零件在实际使用中会承受什么样的应力,而不只是纸面上的数据。一个只需在自重下静止放置的支架,与一个要弯折数千次的铰链,要求截然不同,尽管两者都可能被说成需要强度高的耗材。

几何形状与材料同样重要

FDM打印的零件永远不像模制或机加工的零件那样均匀:它由相互粘结的连续层构成,这使得强度因受力方向的轴而异。各厂商的材料指南中都记录了这种各向异性,它解释了为什么同一个零件在一个方向上容易断裂,而在另一个方向上却完全能承受。

打印方向、外墙层数和填充百分比对结果的影响,往往比在两种理论强度相近的耗材之间的选择更大。一个方向摆放得当的PETG零件,可能胜过方向摆放不当的尼龙零件,这使得任何材料对比如果没有同时说明这些打印设置,就都是不完整的。对于某一类耗材所引用的任何通用强度数字,如果没有提到方向和填充,都应当视为测试的起点,而不是对成品零件的保证。

PETG：易用且足够坚固的基准选择

一旦零件需要承受的不只是装饰作用,PETG往往是首选:Prusa的文档认为它比PLA具有更高的韧性和耐热性,又不需要外罩或特殊喷嘴,这使它成为打印第一个真正承重零件的易得材料。

据厂商介绍,碳纤维版本,如Prusament PETG Carbon Fiber,具有更好的尺寸稳定性和更高的弹性模量,代价是硬度低于标准PETG。这种取舍说明为什么更硬并不自动意味着更坚韧,也说明为什么完整的数据表比耗材类别的名称更重要。

尼龙：韧性与抗疲劳性

尼龙(PA)因其抗疲劳性而反复出现在材料指南中,即能够承受反复弯折而不断裂,这使它成为需要反复使用的功能性铰链或齿轮的候选。Prusa的文档指出了相应的取舍:吸湿性强、打印时翘边明显,因此每次打印前都需要仔细干燥。

碳纤维版本,如Polymaker记录的PA6-CF20,标称在XY平面内的拉伸强度高达109 MPa,模量超过8.6 GPa,需要硬化喷嘴,并建议在打印后于100 °C(212 °F)下退火十六小时,使成品零件稳定下来。

PC与复合材料：刚性与耐热性

聚碳酸酯(PC)因其耐热性和抗冲击性而为厂商所称道,使其成为暴露在真实高温下的零件所用的技术材料,代价是喷嘴温度高,并且据Prusa的外罩指南,几乎必须使用外罩,该指南把PC归入需要封闭腔体的材料之列。

以尼龙、PETG或PC为基础的碳纤维复合材料提高了实验室测得的刚性,但打印出来后仍是各向异性的:数据表上列出的强度提升只有沿纤维取向的轴才能完全体现出来,这一点在耗材类型详解中按类别逐一介绍,同时还涵盖了相关的喷嘴和干燥要求。

墙体与填充：真正决定强度的关键因素

打印件的强度主要来自外墙层数(周长层数),而不是填充百分比:据Prusa关于层和周长层的文档,增加更多周长层是获得更强打印件的最有效方式,而填充主要有助于抗压和支撑顶层,而不是负载下通常最先失效的外壳。

关于填充百分比本身,Prusa的文档指出,大多数模型在10-15%时打印良好,除非零件特别需要额外的刚性、增加的重量或更好的抗压性,否则很少需要超过30%。你选择的填充图案也很重要:三维的gyroid(螺旋体)图案在各个方向上提供相当的强度,而不偏向某一个轴,这正是Prusa的填充图案文档特别提出它适用于机械零件而非纯装饰打印件的原因,不像简单的网格图案,其表现会随受力方向而变化。

这些都不能代替选择合适的材料:填充15%、三层外墙的尼龙或PC零件,仍然胜过以同样方式设置的PLA零件,但外墙层数更多的PLA零件会胜过保持默认设置的同样的PLA零件。在为了强度而提高填充之前,先检查外墙层数和层高,这是Prusa文档建议的优先顺序,因为更高的填充设置会增加打印时间和耗材用量,却没有额外周长层那样的强度回报,而且如果第一次尝试失败,还会让零件更难快速重新打印。

没有任何耗材能保证的事

没有任何一份耗材数据表,无论多么详细,能单独涵盖安全关键型应用:承重结构、汽车零件、医疗器械,或任何一旦失效会造成严重后果的场合。公布的数值描述的是在特定实验室条件下测试的原材料样品,而不是具有自己的设置、方向和存放历史的打印件。

对于失效会带来真实后果的零件,唯一合理的做法是查阅厂商的完整数据表,并请合格的专业人员验证设计,采用适合实际几何形状的测试,而不是网上找到的通用数字。选择一台适合功能性零件的打印机永远不能替代这一步骤,选择一类数据表看起来很亮眼的耗材也同样不能。

资料来源与局限

• Prusa知识库 — PETG
• Prusa知识库 — 聚酰胺（尼龙）
• Prusa知识库 — 外罩指南
• Polymaker Wiki — Fiberon PA6-CF20技术数据表
• Prusa知识库 — 层与墙体
• Prusa知识库 — 填充
• Prusa知识库 — 填充图案

我们整理的是厂商和社区的文档，并未亲自测量这些产品。针对你具体型号的手册优先于一般性的指导。