测量韧性的方法

与挤压成型和注射成型的材料相比，3D 打印材料通常会牺牲机械性能来换取适印性。

在熔融沉积成型 (FDM) 技术中，标准材料是 PLA，其韧性较差。与 PLA 相比，PETG、ABS、ASA 和 PC 具有更优越的韧性，但为了使这些材料适合打印，与经过模塑或挤压的聚合物相比，这些材料等级需要具有更低的分子量、共聚物或其他降低最终部件性能的成分。

立体光固化 (SLA) 也以使用脆性塑料而著称，因为大多数标准丙烯酸酯树脂的韧性相对较差。随着时间的推移，韧性提高的材料也相继问世，如 Formlabs 的 Tough 1500 Resin 和 Tough 2000 Resin。虽然这些材料的韧性明显优于大多数标准丙烯酸酯材料，但在韧性方面仍落后于大多数热塑性聚合物。

使用最坚硬材料的打印工艺是选择性激光烧结 (SLS)。默认使用的 Nylon 12 Powder 比 PLA 或大多数丙烯酸脂更具韧性，而 Nylon 11 Powder 等韧性更佳的选项则能制造韧性惊人的部件。这些材料无需像使用 FDM 材料那样针对适印性进行修改。此外，选择性激光烧结在所有轴向的韧性各向同性要好得多。

在考虑如此广泛的可用配方时，测量 3D 打印材料的韧性则非常重要，以便定量评估这些材料是否适合原型制造以外要求更高的应用。

韧性是指材料吸收能量并发生塑性变形而不断裂的能力，但量化韧性的方法有多种。

一种方法是进行类似 ASTM D638 的拉伸试验，使用一对夹具将试样拉开。可以将部件横截面积上的力（即应力）相对于伸长率（即应变）绘制成图。功是力和距离的点积。通过积分计算应力－应变曲线下方的面积，可以确定断裂前吸收的能量。

这种特殊的韧性测量方法通常称为“拉伸韧性”，虽然它有助于理解韧性的含义，但并不常用于测量或报告，因此更难对韧性值进行定量比较，也很少在技术数据表 (TDS) 中提及。

断裂伸长率有时用于代替韧性。当材料具有相似的极限拉伸强度时，它是应力－应变曲线下方面积的合理近似值。在比较极限拉伸强度相差很大的材料时，这种近似值则用处不大。断裂伸长率本身只能衡量延展性，不能衡量韧性。

*Densetec extrusion grade homopolymer samples were obtained from McMaster-Carr (Item # 8742K129) and tested internally by Formlabs under identical conditions as the printed resin samples.

在易于重复的简单测试中，将韧性提炼为一个数字的最常用方法是 IZOD 冲击性能测试。在这项测试中，摆锤上的锤子冲击部件，测量锤子冲击后的高度。锤子开始位置和结束位置之间的差值代表重力势能的差值，这一差值与在冲击试样过程中吸收的能量相对应。该能量值通常除以试样的长度或面积，得出的数值单位为 J/m 或 J/m²。

夏比冲击强度是一种类似的测试，但设置略有不同，更常用于金属。两种测试均分为“有缺口”或“无缺口”。在有缺口版本中，会在部件上切割一个小缺口，作为初始裂纹源。Formlabs 使用 ASTM D256-10 对我们的材料进行评估。

虽然 IZOD 冲击强度可以快速、方便地得到定量值，因此更为常用，但由于采用厚试样（约 12mm）进行测试，通常不能代表塑料部件中使用的几何形状。

Gardner 冲击强度 (ASTM D4226) 是测量较薄片状材料冲击韧性的较好测试方法。该测试使用下落的重物冲击薄试样，然后检查柱塞是否穿透试样。结果可以用失效前达到的最大高度或吸收的最大能量来表示。

由于试验的试样几何形状更能代表大多数塑料部件，因此，Gardner 冲击强度在衡量实际冲击性能时更有意义。因此，Formlabs 的材料工程师对 Tough 1500 Resin V2 的配方进行了优化，使其在这一指标上表现更佳。

塑料在不同的负载条件下会有不同的表现方式。在冲击试验中，载荷的施加速度非常快，但实际材料在逐渐受力时也需要吸收能量。

在较低应变速率下，测量韧性的一种方法是测量断裂韧性。

这可以由一个称为 K_C 的值来表示，它是裂纹扩展并导致脆性断裂的临界应力强度因子；也可以由 W_f 表示，它是裂纹在材料中扩展所需的功（或能量）。

断裂韧性是最重要的韧性测量指标之一，因为它代表了在大多数非冲击载荷下的脆性断裂阻力。

裂缝和断裂也会随着时间的推移而发生，而不是像断裂韧性那样在载荷作用下发生。在重复载荷作用下裂纹逐渐扩展的现象称为疲劳。

为了测量塑料的疲劳特性，我们通常使用一种名为 Ross 弯曲的试验 (ASTM D1052)，该试验可将棒状试样反复弯曲数千次。