Formlabs 3D打印多维度量化韧性材料：Tough 1500 Resin V2

在实际应用中，3D 打印部件面临诸多现实挑战，材料的韧性是决定其使用性能的关键因素。“IZOD 冲击测试”是评估韧性的常用方法，被广泛应用于材料性能测试当中。然而，由于韧性材料种类丰富多样，单一的冲击性能指标难以有效评估被试材料是否适用于特定场景。

基于此，Formlabs 材料工程师在研发 Tough 1500 Resin V2 升级版材料时，除优化了其IZOD冲击性能外，还确保该材料在多种韧性测试中均保持良好的适配性，旨在为不同应用场景提供更可靠的材料选择。

1、评估材料韧性的重要性

韧性是决定材料实际使用性能的关键。例如，二氧化硅、氧化铝等陶瓷材料的比强度和刚重比远超铝、钢等金属，却从不会被用于飞机制造，根本原因便在于陶瓷材料的韧性不足。

韧性：材料科学中，韧性指材料吸收能量并发生塑性变形而不断裂的能力。

陶瓷材料 容易产生脆性断裂，难以通过塑性变形来吸收能量。其内部任何微小的缺陷都有可能引发断裂，因此航空制造这类对安全性有严苛要求的关键场景不会应用陶瓷材料。

金属材料 通常具有极高的韧性，因其能够通过塑性变形来分散冲击载荷。这种变形能力使得应力向裂纹或缺陷区域的外围迁移，从而有效抑制应力集中现象，避免直接断裂。钢与铝合金等金属韧性极高，而铸铁等其他金属则相对较脆。

塑料材料 韧性覆盖范围极广：丙烯酸（PMMA）、聚苯乙烯（PS）等属脆性材料；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）则韧性极佳，可用于制造坚固耐用的部件；聚碳酸酯（PC）作为顶尖韧性聚合物，可用于制造防撞板、安全护目镜等抗冲击装备。

2、3 种主流 3D 打印技术材料韧性对比

在熔融沉积成型（FDM）技术中，PLA 是常用的标准材料，但其韧性存在明显不足。相比之下，PETG、ABS、ASA 和 PC 这几种材料的韧性要优于 PLA。不过，为了让这些材料能够适配 FDM 打印工艺，其材料等级需要进行特殊调整 —— 例如采用更低的分子量，或是添加共聚物等成分。而这些调整，会导致最终打印出的部件性能有所下降。

立体光固化（SLA）技术也常采用脆性材料，这主要是因为大多数标准丙烯酸树脂的韧性本身较差。目前，随着技术发展，市场上已经出现韧性更优的树脂材料，比如 Formlabs 的 Tough 1500 Resin 和 Tough 2000 Resin。虽然这类材料的韧性比大多数标准丙烯酸酯材料有显著提升，但与多数热塑性聚合物相比，其韧性仍存在差距。

3D 打印工艺中，选择性激光烧结（SLS）所使用材料的韧性是最高的。其默认材料 Nylon 12 Powder 的韧性高于 PLA 或大多数丙烯酸脂，而 Nylon 11 Powder 等韧性更佳的材料则可以制造出韧性极高的部件。与 FDM 工艺不同，这些粉末材料无需为适配打印需求而进行适印性修改。此外，SLS 成型的部件在各个方向上均能展现出优异且一致的韧性。

综上，由于材料配方多种多样，测试 3D 打印材料的韧性便十分关键，以此量化评估这些材料是否适合超越原型制造、要求更高的应用场景。

3、多维度量化材料韧性：Tough 1500 Resin V2实现全方位韧性升级

拉伸韧性测试」

“拉伸韧性”指的是部件某一区域在受力发生形变时，应力随应变变化的特性。

测量拉伸韧性的一种常用方法是执行 ASTM D638 拉伸试验：用一对夹具将试样固定并施加拉力直至其断裂。Formlabs 依据 ASTM D638 标准对材料进行拉伸韧性测试，直观呈现出 Tough 1500 Resin V2 的升级成效。

如图所示，V1版本以5倍速播放时，材料在拉力作用下瞬间脆性断裂，断裂面平整光滑，显示其拉伸韧性不足；而V2版本在20倍速播放下展现出显著优化——材料被持续拉伸时产生明显的颈缩变形，历经更长的拉伸过程后才最终断裂。

测试结果表明：新版 Tough 1500 Resin V2 通过材料配方优化，实现了更优异的形变能力与抗拉强度。该升级将直接增强 3D 打印部件的耐用性，尤其适用于需要承受反复载荷的功能性应用场景。

「断裂伸长率测试」

“断裂伸长率”指的是材料在断裂前能够拉伸到多长的百分比。需要明确的是，断裂伸长率本身直接反映的是材料的延展性，而非韧性。

Formlabs 通过断裂伸长率测试，进一步验证了 Tough 1500 Resin V2  在延展性方面的升级。

测试结果显示， V2 版材料的断裂伸长率高达165%，不仅较前代 V1 版本提升两倍以上，还显著优于乐泰IND 405 与标准工程塑料聚丙烯。

*Densetec 挤压均聚物级样品来自 McMaster-Carr（货号 8742K129），由 Formlabs 在与打印树脂样品部件相同的条件下进行内部测试。

「IZOD 冲击强度测试」

将材料韧性量化为单一数值最常用的方法是“ IZOD 冲击试验”。该测试分为 “有缺口” 和 “无缺口” 两类，利用安装于摆锤上的冲锤撞击标准试样。

在无缺口测试中，V2 试样几乎完全抵挡住了摆锤的冲击；相比之下，V1 试样则被干净利落地击穿。这一直观差异表明 V2 版材料在冲击发生时能够吸收更多的能量而不断裂。 

有缺口测试中，V2 试样的 IZOD 缺口冲击强度为 45 J/m。尽管该数值低于 V1 试样，但仍高于乐泰 IND 405 及聚丙烯材料部件。这表明 Tough 1500 Resin V2 在冲击韧性方面相对于部分替代材料仍具有明显优势。

Tough 1500 Resin V1 的 Gardner 冲击强度为 2.5J，柱塞直接穿透试样

Tough 1500 Resin V2 的 Gardner 冲击强度为 5.9J，柱塞未穿透试样

综合来看，在高冲击应用场景下，Tough 1500 Resin V2 仍能提供稳定可靠的抗冲击性能，其在保障部件结构完整性方面的表现尤为突出。

「Gardner 冲击强度测试」

尽管 IZOD 冲击强度测试因定量便捷而被广泛使用，但其采用的厚试样（厚约 12mm）难以直接代表实际应用场景中塑料部件的几何形状。相比之下，Gardner 冲击强度测试（依据 ASTM D4226 标准）更适合评估薄片状材料的冲击韧性。

鉴于 Gardner 冲击强度在评估实际场景下的抗冲击性能时更具参考价值。Formlabs 材料工程师对 Tough 1500 Resin V2 的配方进行了针对性优化，并同步开展了 Gardner 冲击强度测试。

结果显示：Tough 1500 Resin V2 的冲击韧性优势显著，其冲击能量值位居第一（5.9J），较同系列上一代材料 V1 提升了136%，超出乐泰IND 405 73.5%，甚至比工程塑料聚丙烯高出 118%。

这一测试结果充分证明，Tough 1500 Resin V2 在实际应用场景中拥有行业领先的优异性能，能为薄壁结构件的制造提供更为可靠的保障。

「断裂韧性测试」

“断裂韧性”适用于衡量材料在缓慢受力场景下的韧性表现。其最能反映普通受力状态下（非猛烈撞击）材料抵抗脆性断裂的能力。

Formlabs 依据 ASTM D5045  标准对 Tough 1500 Resin V1 与 Tough 1500 Resin V2 进行了断裂韧性测试。

测试数据表明：Tough 1500 Resin V2 断裂功（Wf）高达 1011 J/m²，较 V1 版本的 102 J/m² 实现了 近 10 倍的跃升。

因此，V2 版本材料在断裂过程中吸收能量能力的质变性突破，更标志着其从根本上克服了 V1 版本存在的快速脆性断裂问题。

此外，测试中观察到的延展性断裂行为也表明，V2 材料能通过有效的塑性变形延缓裂纹扩展，大幅提升部件在冲击载荷下的可靠性。

「Ross 弯曲测试」

为了衡量材料的抗疲劳特性，业界常用的测试方法是 Ross 弯曲试验（依据 ASTM D1052 标准），即反复弯曲棒状试样数千次。

Formlabs 也对Tough 1500 Resin V1 与 Tough 1500 Resin V2 进行了Ross 弯曲测试。

测试结果表明：Tough 1500 Resin V2 的循环存活次数超过 8000 次，显著优于 Tough 1500 Resin V1 与乐泰 IND 405。

这一数据对比证明：Tough 1500 Resin V2 对反复弯曲应力有着出色的耐受能力。

在快速模具制造、终端部件制造及辅助工具制造等实际应用场景中，3D 打印部件需要在多个维度具备出色的韧性。鉴于此，Formlabs 的材料工程师对 Tough 1500 Resin V2 展开了全方位的配方优化，并同步开展了针对性的韧性测试。

测试结果显示，Tough 1500 Resin V2 的综合韧性得到全面提升，其在耐冲击性、抗开裂性、能量吸收能力以及耐疲劳性等各种韧性测量维度上，均呈现出均衡且优异的表现。这使得打印部件不易碎裂、不易开裂、不易折断，从而为用户在各种高要求的实景应用中提供了坚实的材料保障。