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最佳戶外3D打印材料

魔猴君  知識堂   34天前

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您可能熟悉最堅固、最靈活或最耐用的3D打印塑料,但什么材料最適合您的戶外使用零件或產品?您只需要考慮抗紫外線能力嗎?今天,魔猴網就和大家一起探討戶外3D打印塑料相關知識。

大多數非3D打印戶外產品(例如家具、花園設備和玩具)均由聚丙烯或聚乙烯(PE)制成,在游樂園游樂設施、游樂場設備和海洋結構等應用中,它們正在迅速取代木材。不幸的是,PE不適用于3D打印,因為它的熔點很低(遠低于PLA)且層間附著力差。

無論是功能性部件還是裝飾性部件,選擇正確的材料可以顯著提高對陽光、熱、冷、化學品和潮濕等環境因素的抵抗力。讓我們探索一些專為戶外應用量身定制的最佳3D打印聚合物材料以及幫助它們抵御天氣的屬性。


戶外所需的3D打印部件并不缺乏,例如相機支架、節日燈座和Tesla充電器底座

來源:Printables via RealPrint_200387/Ondrej_Krames_139779/Gizmotoy)

但首先,了解戶外因素如何影響聚合物會很方便。

紫外線是對塑料最具破壞性的環境因素。來自太陽的紫外線輻射通過稱為光降解的過程破壞聚合物中的化學鍵,這不僅會導致外觀變化,例如泛黃或泛白(“粉化”),還會降低物理性能。對塑料第二大破壞性因素是水分。我們通常認為塑料是防水的,但不同的聚合物實際上以不同的速度吸水,導致難以察覺的膨脹,但隨著時間的推移,對戶外部件的強度和功能的損害同樣不小。

熱和冷也是需要考慮的重要因素。盡管大多數塑料即使在最熱的室外環境中也不會熔化,但它們可能軟化到足以發生機械故障,這對于支架、扣環或外殼等任何功能部件來說都是一個問題。另一個需要考慮的問題是您的部件是否會接觸任何化學品、溶劑、油等,例如泳池化學品、自行車油脂,甚至大量污染物。

由于沒有一種3D打印聚合物材料具有出色的抗紫外線、耐化學性、耐熱性和耐濕性,因此您需要選擇具有特定強度的材料來適合您的應用。

讓我們來看看戶外使用的六大聚合物及其主要屬性。

各種聚合物的耐候性


在地球外部使用的3D打印產品,例如這些帳篷排和園藝鏟,需要具有強度和防潮性

(來源:Ffirstgizmo/xSXHCx的Printables)

下面我們介紹了一些用于戶外相關部件的最佳3D打印聚合物材料以及將它們列入我們列表的屬性。我們列表底部的PLA UV僅供比較參考,因為它最不適合戶外:暴露在陽光下時會變色。

請記住,并非您購買的每根長絲都可能具有所有這些特定屬性,因為個別長絲制造商可以使用添加劑來改變顏色或其他可能影響材料特性的品質,特別是在生物相容性和食品安全方面,因此請務必閱讀您的材料的規格表。同樣,也可能存在并且通常存在通過添加劑增強紫外線防護的材料版本。您會發現多種聚合物具有額外的紫外線防護能力。

 

*吸濕率是指材料吸濕行為的程度,表明材料容易膨脹的程度。它降低了塑料的玻璃化轉變溫度和強度。最廣泛使用的測量塑料吸水率的標準是ASTM D570,它確定浸入水中24小時后吸收的水的百分比。在上表中,我們列出了按重量計算的最大吸水百分比。

*耐熱性以Tg“玻璃化轉變溫度”來衡量,這是聚合物開始從硬態轉變為更柔韌狀態的點。這會影響零件的結構完整性。對于柔性TPU和半柔性PP,玻璃化轉變溫度是其從所需的柔性狀態轉變為脆性狀態的點,該溫度遠低于凍結點。

1、PETG(聚對苯二甲酸乙二醇酯)

 

PETG是各種3D打印戶外項目的理想材料,包括花盆和戶外照明(來源:Filamentive/Mrmakerspace via Printables)

PETG因其優異的強度、抗沖擊性和耐候性而成為戶外3D打印的熱門選擇。它具有良好的抗紫外線性能,因此長時間暴露在陽光下時不易泛黃或降解,但不如另一種透明材料PC那樣具有抗紫外線能力。

PETG具有良好的耐化學性,適用于經常接觸各種元素的戶外環境。然而,作為一種熱塑性聚酯,與熱固性塑料相反,它會在高溫下變形,因此應避免全天陽光直射,以避免變形。

有一些特殊版本的PETG增加了抗紫外線能力,例如Eolas Prints PETG抗紫外線長絲,經過改造,使其具有更強的抗紫外線能力,承諾顏色至少在五年內保持不變。代價是該版本的PETG不符合食品安全。您還可以使用Nanovia等公司的另一種變體,即玻璃纖維增強PETG GF UV來提高抗紫外線PETG的強度。

結論

PETG是戶外打印的首選材料,因為它兼具多種特性、價格實惠以及可回收版本的廣泛可用性。

2、ASA(丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯)


這種戶外水槽設計應采用耐用、抗紫外線且耐化學腐蝕的材料印刷,例如ASA(來源:Subsite_2448 via Printables)

ASA經過專門設計,可承受惡劣的戶外條件,使其成為3D打印戶外產品和零件的理想選擇,且不會失去機械性能或顏色。它具有高抗紫外線能力,可確保長期的顏色穩定性并防止因長時間暴露在陽光下而變質。

ASA還能在很寬的溫度范圍內保持其機械性能,進一步增強其對全年戶外使用的產品的適用性,這些產品可能會在冬季結冰,夏季悶熱。ASA對化學品、油和溶劑具有良好的耐受性,使其適用于預期接觸各種物質的應用。

另外,請考慮提供更高機械性能的ASA共混物,例如ASA/PC和ASA/PVC。

結論:

雖然ASA是為戶外使用而設計的,并且具有很強的機械性能,但它不是我們首選的唯一原因是ASA在打印時會散發出潛在有害的煙霧,并且需要噴嘴溫度可達230°C左右的3D打印機。但是,如果您從魔猴網打印零件,ASA將是我們所有類型戶外零件的最佳選擇。

3、PA(聚酰胺)11

PA 11尼龍以其強度、韌性和靈活性而聞名,使其成為戶外應用的多功能材料。它具有出色的抗沖擊性,可以承受彎曲和撓曲而不會破裂或斷裂,使其適合承受不同負載的功能部件。尼龍具有良好的耐化學性,可以承受暴露在潮濕環境中而不會明顯降解。

PA有多種變體,包括PA6和PA12,以及碳纖維PA、玻璃纖維PA和凱夫拉纖維PA。在這里,我們重點關注PA11,因為它通常具有最佳的抗紫外線能力,并且源自可再生植物來源(通常是蓖麻子),使其成為一種生物基聚合物。相比之下,PA 12通常由石化產品生產。

豐田賽車GR86杯上的3D打印尼龍碳纖維引擎蓋勺(來源:Stratasys)

PA11通常用于需要長時間暴露在陽光下的戶外應用,例如汽車部件、戶外設備和建筑固定裝置。它還以其對許多常見化學品的耐受性而聞名,包括油、油脂、燃料、溶劑和堿性溶液。

如果您正在尋找專為戶外使用而設計的PA11特性,請尋找包含添加劑的紫外線穩定聚酰胺11。

結論:

如果您最關心的是戶外功能部件的強度和耐用性,那么沒有什么比PA11更好的了,尤其是碳纖維或玻璃纖維增強版本。這種材料是我們戶外運動用品和具有閂鎖等功能的零件的首選材料。它也非常適合可能遇到化學物質的零件,例如發動機排氣。

4、PC(聚碳酸酯)


聚碳酸酯是無人機零件的流行材料選擇(來源:Raise3D)

對于要求最高抗紫外線能力的應用,聚碳酸酯通常是3D打印材料中的首選,通常比PETG更好,但通常更昂貴。它特別適合暴露在陽光下是一個重要因素的戶外應用。廣泛用于戶外照明燈具

PC因其優異的機械性能(例如高抗沖擊性、強度和韌性)以及良好的耐熱性和尺寸穩定性而廣泛應用于3D打印。它是著名的玻璃替代品,因為它是透明的,抗沖擊能力是玻璃的250倍,并且可以鉆孔而不會出現任何破裂問題。

當然,PC不只是清楚的。它可以呈現顏色并保持半透明或完全不透明。它還與其他塑料混合以提高抗沖擊性。例如,PC-ABS有黑色和白色兩種顏色,用于需要比單獨使用ABS更高強度的產品,例如無人機機身和替換零件。您還會發現含有碳纖維等添加劑的PC。

盡管本身具有抗紫外線能力,但一些PC材料在配方中添加了額外的紫外線穩定劑,以進一步增強其戶外耐用性。

結論:

對于堅固且抗紫外線的戶外部件,特別是那些需要透明或半透明的部件,PC是一個不錯的選擇。這種材料是我們戶外照明的首選材料。它也非常適合暴露在室外紫外線下且即使在高溫下也需要保持剛度的無人機和無人機部件。

5、TPU(熱塑性聚氨酯)

 

牽引輪是3D打印TPU的常見應用(來源:ShakeAndBake的Printables)

如果您的戶外部件需要靈活,例如軟管連接器或輪子,那么TPU就是您的最佳選擇,部分原因是3D打印的替代品并不多。與TPU相比,TPE(熱塑性彈性體)具有更高的耐化學性,TPC(熱塑性共聚酯)具有更好的耐熱性,但根據您的應用,這些細微的改進可能不足以證明增加的成本是合理的。

TPU通常具有耐候性,但在極端溫度條件下(尤其是高溫下)可能表現不佳。與其他一些材料相比,它的熔點相對較低,這可能會導致3D打印零件在高溫環境中變形。不過,暫時不要放棄TPU。它是一種高度定制的聚合物,長絲制造商已針對所有類型的特定應用對其進行了調整。例如,巴斯夫Forward AM提供Ultrafuse TPU 85A,其配方具有高耐磨性和耐磨性,具有非常好的低溫柔韌性以及對油、油脂、氧氣和臭氧的高耐受性。

結論:

盡管許多品牌的TPU會隨著時間的推移,由于紫外線輻射和吸水性的影響而在戶外降解,但仍有一些品種的配方可以耐受戶外。

6、PP(聚丙烯


3D打印的戶外噴水器非常適合用聚丙烯打?。▉碓矗篎alcone20cne,來自Go-3Dprint)

聚丙烯(PP)是一種多功能熱塑性聚合物,因其物理強度和卓越的耐化學性而被廣泛使用,但當它出現在戶外使用時,它的出名之處在于其低吸濕性和高度不滲透性。這使得PP非常適合需要堅固且防水的戶外項目,例如噴水滅火系統。PP通常通過傳統制造(例如注塑成型)用于草坪家具,因為它在溫暖的夏季表現出韌性和柔韌性,但在寒冷的冬季會變脆。

PP的缺點是在抗紫外線方面不如其他聚合物。除非您的聚丙烯長絲含有紫外線阻擋添加劑,否則長時間暴露在紫外線下可能會導致降解。

PP的關鍵特性之一是其優異的強度重量比,使其成為輕質耐用產品的首選材料,例如管道、水箱和配件,因其在各種家庭和工業應用中的耐腐蝕性和耐用性。PP通常通過傳統制造(例如注塑成型)用于草坪家具,因為它在溫暖的夏季表現出韌性和柔韌性,但在寒冷的冬季會變脆。

結論:

對于與水相關的3D打印項目,例如軟管連接器、空調通風口和噴泉項目,沒有什么比PP更好的了。是的,PVC通常用于管道,您可以用它進行3D打印,但其高毒性和3D打印過程中的危險促使我們推薦使用PP。

7、PLA UV變色


iSanmate的UV變色PLA長絲在戶外時會變色(來源:iSanmate)

目前,許多制造商都提供PLA UV變色燈絲,它們具有常見的PLA特性,不適合長期戶外使用,但它的一個獨特功能是暴露在紫外線下時能夠變色,例如就像戶外的陽光一樣。

這些細絲與抗紫外線相反,實際上吸收陽光,從而引發顏色變化。當從光線中移開時,3D打印部件將恢復其原始顏色。哪種顏色會變成哪種陽光激活顏色在長絲制造商中并不通用,因此請查看標簽。例如,材料制造商R3D提供引人注目的白到藍燈絲和更微妙的黃到綠燈絲。

如果您想知道為什么普通PLA沒有出現在我們的戶外適合材料列表中,這主要是因為它的耐熱性低。PLA在40°C左右時容易變形和下垂。如果您確實想在室外使用PLA,請尋找一種專門配制的高溫PLA。

結論:

對于旨在享受陽光的有趣3D打印項目(例如兒童沙灘玩具),這是一個完美的選擇。因為它可能只能耐用幾個季節。

   

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