3D 打印材料与零件老化后会怎样？

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  为什么 3D 打印材料与零件先从结合线老化
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  UV、氧气和水分对每种聚合物的实际作用
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  蠕变：工程师低估的缓慢失效
• 4
  如何区分外观老化与功能老化
• 5
  如何做一次能给出真实答案的短期老化测试
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  常见 3D 打印材料与零件在户外如何老化

FDM 零件不是实心聚合物块。它们由成千上万条挤出料道与相邻料道焊接而成，而每一处焊接都是部分焊接。零件离开打印机时，料道之间和层之间的界面已经是横截面中最薄弱的区域。老化首先攻击这些界面。

原因是分子迁移能力。两条料道要完全焊接，聚合物链必须在材料仍高于玻璃化转变温度时跨界面扩散。喷嘴在扩散完成前就沉积下一层。形成的结合是真实的，但比本体丝材更薄、缠结更少。

因此当热、氧气或水分进入零件时，损伤不会均匀扩散。它会集中在那些本来就性能不足的薄区。一个打印支架在长时间受热后，层间强度可能损失 30% 到 50%，而外表面看起来仍完好。

这就是目视检查几乎说明不了问题的原因。老化严重的零件往往和新件看起来一模一样。失效模式是层间分层，而不是实心壁开裂。要知道零件状态，必须测量。

UV 光的能量足以打断聚合物主链中的碳碳键和碳氢键。链一旦断裂，两个片段都变短，而更短的链意味着更低的强度和更低的延伸率。该反应还会产生自由基，自由基与氧气反应并引发连锁反应，即使零件移出阳光后仍会继续。

断链起初是表面过程。对大多数未填充热塑性塑料，UV 在 0.1 到 0.5 mm 深度内就被吸收或散射。但这一表层正是弯曲应力最高的位置，因此一层薄薄的脆化表皮就能引发裂纹，裂纹随后贯穿整个零件。

水分的作用不同。尼龙、PETG 和 TPU 会把水吸收到晶区之间的非晶区。吸收的水对聚合物起增塑作用，降低其玻璃化转变温度。一个干燥状态下测得 60 °C 的尼龙件，饱和后可能降到 20 到 30 °C，这一偏移可能使它在相同使用温度下从刚性件变成软性件。

对聚酯和聚酰胺，水还会驱动水解。酯键和酰胺键与水反应并断裂。零件不只是变软，而是永久损失分子量。这种损伤在零件重新干燥后不会恢复。

PLA 是另一个方向的例外。它容易水解，玻璃化转变温度在 55 到 60 °C 附近，因此夏季的汽车仪表板就足以让它退火变形。PLA 是好的原型制作材料，却不是长寿命材料。

热塑性塑料会蠕变。在恒定载荷下，只要载荷持续施加，它们就会持续变形，即使在室温下也是如此。速率取决于使用温度与材料玻璃化转变温度的接近程度。

聚合物测试的一条实用规则：使用温度每向玻璃化转变温度靠近 10 °C，蠕变速率大约翻倍或增至三倍。一个 PA12 零件在 23 °C 下承受屈服强度 40% 的载荷，可能多年无问题。同样的零件在 50 °C 下，几周内就可能明显下垂。

由于孔隙，打印件在这方面比模压件更差。料道之间的间隙和不完全焊接造成应力集中，并给材料留下移动空间。有效承载面积可能比名义截面低 10% 到 20%，因此实际应力高于计算假设。

螺栓连接是典型情况。一个由四颗螺钉固定的打印法兰，会随着聚合物在垫圈下蠕变而在数月内损失夹紧力。螺钉不是因为振动而松脱。是它们下面的材料流走了。

如果打印件承受持续载荷，要么大幅降低许用应力，要么设计载荷路径使其不依赖聚合物刚度。金属嵌件、机加工台肩或改用铝件，能解决任何打印设置都解决不了的问题。

颜色变化、表面发白和轻微失光通常属于外观问题。它们来自最终会导致开裂的表面氧化，但单独出现时并不改变承载能力。零件仍能工作。

层间分层是功能性问题。如果你能把 0.1 mm 塞尺插入层线，或者沿侧面轻敲时某处声音空洞而另一处声音实心，说明结合已经局部失效。这不是表面问题。

尺寸漂移同样影响功能。每隔几个月按原始图纸测量一个关键特征。蠕变和吸湿膨胀会使打印件尺寸变化 0.2% 至 1.0%，在 100 mm 跨度上就是 0.2 至 1.0 mm。这远大于我们在机加工金属件上控制的 ±0.005 mm，足以破坏对位。

冲击行为是最后的警示信号。老化脆化的聚合物不会弯曲，而是碎裂。如果原本能弯曲的零件现在一掰就断，无论表面看起来如何，使用寿命都已结束。

还有一个指标：重量。吸湿饱和的尼龙件可比干燥时重 2% 至 4%。用实验室天平称量参考件，是跟踪吸湿状态的低成本方法。

做决策不需要多年的现场数据。只要测试正确的性能，一次有针对性的加速测试可在两到四周内回答大部分问题。

测试层间强度，而不是实心试样的拉伸强度。用与生产件相同的批次和取向打印一组 Z 向拉伸试样或短梁剪切试样。先测干燥态，再测调理后。

调理选项：85 °C、85% 相对湿度、1000 小时，是电子壳体和连接器的标准湿热测试。对于户外件，交替进行 UV 和冷凝循环的 QUV 试验箱比恒定 UV 灯更接近实际。

始终测试一批在 23 °C、50% 相对湿度下存放的对照件。没有对照，就无法区分老化和批次差异，而打印件的批次差异在短期测试中往往大于老化效应。

记录失效模式，而不只是数值。如果老化试样在层界面失效，而对照试样在基体失效，说明老化已经改变了失效机制。这比强度下降 15% 更能说明问题。