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3D列印線材常見的種類

不論是3D列印的新手或行家,回答PLAABS幾乎是反射動作了。資深的朋友還會舉出PETGTPE、Nylon或是其他材料。根據3D Hubs的統計數據顯示,名列FDM材料使用的前三大也確實為PLA(34%)、ABS(16%)與PETG(4%)

                                  3D Hubs 2018 Q1的統計數據

 

PLA/ABS/PETG的特性和差異的常見認知

PLA:很好印/不太會翹/不耐熱/有點脆弱。

ABS:很臭/列印會翹要開加熱底板/蠻耐熱的/做結構件挑ABS就對了。

PETG則比較模糊:寶特瓶的原料*/蠻有韌性的/耐熱性贏PLA但輸ABS

*PETG原料價格昂貴,主要以訴求透明的高級容器(如化妝品)為主,極少用於一般寶特瓶喔!

樂高積木就是採用ABS製作的

 

PLAABS誰強

最常見的答案: ABS。」有些看法則是:PLA好像比較硬耶,可是不耐熱。」「PLA太脆了,ABS容易斷。」

其實這種問法是有瑕疵的,它們都有各自的強項,導致上述說法大致上正確又有點模糊。畢竟3D列印使用者來自各行各業,並非人人都具備材料背景,這或許就是3D列印在應用端難以前進的關鍵。

 

所以,先來認識材料物性表Technical Data Sheet(TDS)

材料物性表(TDS)是產品加工與應用在選擇材料時,非常重要的參考資料。每一家原料生產廠商大多會提供TDS,但呈現的項目則沒有一定。該表大多是以射出成型的樣品評量,因此不能直接套用到3D列印,但在相同加工方式下比較,足以了解材料本質上的差異。

 

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國內知名ABS製造商奇美實業-PA-747 TDS

 

高分子常見的測試規範

國際標準化組織(International Organization for Standardization, ISO)

美國材料和試驗協會((American Society of Testing Materials, ASTM)

日本工業標準(Japanese Industrial Standards, JIS)

上述組織皆會記載樣品和測試規範,其中ISOASTM最常見,規範也會根據不同年份做出微調,我們的射出模具和測試標準主要也是以這兩者為主。

 

TDS中常見的機械性質測試項目

認識測試項目之前,先建立幾個簡單的觀念:

看到《模數(Modulus)》可以視為抵抗變形的能力;例如彎曲模數越大,就要施越大的力才能彎曲它;楊氏係數越大,就代表要施越大的力才能拉長它。

看到《強度(Strength)》可以視為材料被破壞或達到指定狀態所施的外力。

注意時間維度:衝擊、彎曲、拉伸、測試都可以獲得材料韌性,但是衝擊時間極短,彎曲與拉伸則是時間相對較長。

 

拉伸測試

如影片所示,試片兩端用設備夾持後,以定速拉開(通常是5mm/min),測試應該要在30秒~5分鐘內完成,並且可以獲得下列性質(未列出全部):

拉伸強度(Tensile strength, TS)

楊氏係數(E-modulus)

延伸率(Tensile elongation,%)

 

 

彎曲測試

影片中所展示的為3點測試法,由上方施以定速變形(通常是15mm/min),以斷裂或5%變形做為彎曲強度,測試可獲下列性質。

彎曲強度(Flexural strength, FS)

彎曲模數(Flexural Modulus, FM)

 

 

 

熱變形溫度測試

熱變形溫度的測試是藉由施展固定負重(通常是0.45MPa或1.80MPa),特定升溫速率(通常為2度/min) ,達特定變形量(常見為0.25mm)時的溫度,即為熱變形溫度。

熱變形溫度(Heat Distortion Temperature, HDT)

 

 

 

衝擊測試 

衝擊強度測試是將擺錘拉到90度角後自由擺下,藉由衝擊前後的擺動角度判斷材料吸收掉多少能量。衝擊測試的試片又分為有缺口(notched)或無缺口(unnotched)兩種,而ASTM D256則是缺口衝擊強度。缺口會造成應力集中效應,有些材料對此非常敏感,設計上就應該盡可能避開銳角等容易造成應力集中的設計。

衝擊強度(Izod Impact Test)

 

PLA/ABS/PETG的材料物性比較表

認識各種機械性質的測試方式後,接著來看各種材料的機械性質吧!

PLA/ABS/PETG各自有非常多的規格,表中採用的數據皆有用於3D列印線材的規格,對於常規線材來說是有參考性的。

耐熱性:HDT是個非常好的指標,確實如大家所認知的ABS>PETG>PLA。

剛性:材料容不容易受力彎曲,這時候要看得就是Flexural Modulus,數字越大剛性越高,順序為PLA>ABS>PETG

韌性:還記得先前提到的時間維度嗎?通常看一個材料的韌性可以由Elogation與Izod來判斷,前者是時間相對較長,後者是時間極短,兩者往往是正相關,倘若如下表所示,Elogation是PETG>ABS,Izod則是ABS>PETG,我就會解釋為:

抗摔與撞擊(時間極短):ABS>PETG>PLA,卡榫等應用(時間相對較長):PETG>ABS>PLA

 

常見3D列印材料之物理性質表

測試性質

ASTM

單位

PLA

ABS

PETG

Tensile Strength

D638

MPa

7.6

40.2

35

E-modulus

D638

MPa

Elogation

D638

%

4.3

20

193

Flexural Strength

D790

MPa

107.4

60.8

67

Flexural Modulus

D790

MPa

3265

2157

1800

HDT

D648

oC

55

96

71

Izod

D256

kg-cm/cm

3.2

19

7

更嚴謹的表格應該會附上測試條件,但並非每家原料廠商都有提供,因此在表中無附上測試條件。

 

成形方式不同,參考趨勢就好

射出成形與3D列印製程差異很大,前者為實心填充,極少結合線,冷卻相對較慢,有模具保壓;後者則是極少實心列印,每層都是結合線,快速冷卻,無模具保壓,上述差異可能導致結果出現落差。例如宣稱高耐熱的PLA3D列印快速冷卻的過程中根本沒有足夠時間結晶,導致其耐熱性與一般PLA無異。如同射出條件的設定會導致試片性質有極大的差異,列印的設備與列印條件,也會導致成品性質有極大的差異,列印參數設定不佳也會造成材料性質無法完整發揮。因此,身為3D列印材料工程師,要清楚傳統製程與3D列印之間的差異,才能開發出適合3D列印使用的線材,並非對照TDS挑選材料那麼簡單喔!

 

 

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