Типы материалов для 3D-печати

Типы материалов для 3D-печати

В настоящее время повсеместно используется 3D печать или «аддитивное производство» объектов практически любой геометрической формы.

3D-печать основана на концепции построения объекта последовательно наносимыми слоями, отображающими контуры модели.

Фактически, 3D-печать является полной противоположностью таких традиционных методов производства и обработки, как фрезеровка или резка, где формирование облика изделия происходит за счет удаления лишнего материала («субтрактивное производство»).

Модели, изготовленные аддитивным методом, могут применяться на любом производственном этапе – как для изготовления опытных образцов (быстрое прототипирование), так и в качестве самих готовых изделий (быстрое производство).

3D-печатные технологии используются в архитектуре, строительстве, промышленном дизайне, автомобильной, аэрокосмической, военно-промышленной, инженерной и медицинской отраслях, биоинженерии, производстве модной одежды и обуви, ювелирных изделий, в образовании, географических информационных системах, пищевой промышленности и многих других сферах.

В домашнем применении аддитивная технология также набирает популярность и, зачастую, капитальные затраты на приобретение 3D-принтера окупаются за счет экономии на бытовом производстве различных предметов.

В настоящее время существует несколько методов аддитивного производства. Основные различия между ними заключаются в способе нанесения слоев и используемых расходных материалах.

Самые распространенные методы — это метод послойного наплавления (FDM или FFF), полимеризация жидких материалов (стереолитография/SLA) и цифровая светодиодная проекция (DLP)), помимо этого, менее распространенные методы — это выборочное лазерное спекание (SLS), выборочная лазерная плавка (SLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS).

Метод послойного наплавления (FDM/FFF)

Преимущества данной технологии:

1. Ценовая доступность принтеров и простота их конструкций

2. Невысокая цена и большой выбор расходных материалов (термопластики и композитные материалы, содержащие различные добавки, но основанные также на термопластиках)

Расскажем подробнее о расходных материалах для 3D принтеров с технологией (FDM/FFF).

Полилактид (PLA, ПЛА)

Главной особенностью данного материала является его экологичность, так как полилактид является полимером молочной кислоты, а сырьем для него служат кукуруза и сахарный тростник. Получается полностью биоразлагаемый материал, но в то же время не такой долговечный и он легко впитывает воду.

Полилактид удобен для изготовления игрушек, сувениров. В промышленности ПЛА используется для упаковки пищевых продуктов, контейнеров для лекарственных препаратов и хирургических нитей, а также использование в подшипниках, не несущих высокой механической нагрузки (например, в моделировании), что возможно благодаря отличному коэффициенту скольжения материала.

Одним из наиболее важных факторов для применения в 3D-печати служит низкая температура плавления – всего 170-180°C, что способствует относительно низкому расходу электроэнергии и использованию недорогих сопел из латуни и алюминия. Как правило, экструзия производится при 160-170°C. В то же время, PLA достаточно медленно застывает (температура стеклования составляет порядка 50°C), что следует учитывать при выборе 3D-принтера. Оптимальным вариантом является устройство с корпусом открытого типа, подогреваемой рабочей платформой (во избежание деформаций моделей большого размера) и, желательно, дополнительными вентиляторами для охлаждения свежих слоев модели.

PLA обладает низкой усадкой, то есть потере объема при охлаждении, что способствует предотвращению деформаций. Тем не менее, усадка имеет кумулятивный эффект при увеличении габаритов печатаемых моделей. В последнем случае может потребоваться подогрев рабочей платформы для равномерного охлаждения печатаемых объектов.

Стоимость PLA относительно невелика, что добавляет популярности этому материалу.

Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS, АБС)

ABS-пластик характеризуется отличными механическими свойствами, долговечностью и низкой стоимостью. В промышленности ABS-пластик получил широкое применение в производстве деталей автомобилей, корпусов различных устройств, контейнеров, сувениров, различных бытовых аксессуаров и пр.

ABS-пластик устойчив к влаге, кислотам и маслу, имеет относительно высокую температуру стеклования, порядка 100°C, при этом, достаточно высокие показатели термоустойчивости – от 90°C до 110°C. Исключением являются некоторые виды ABS-пластика, которые разрушаются под воздействием прямого солнечного света. В то же время, ABS-пластик легко поддается окраске, что позволяет наносить защитные покрытия на немеханические элементы.

Температура для экструзии ABS-пластика 180°C. А низкий разброс температур между экструзией и стеклованием способствует более быстрому застыванию ABS-пластика по сравнению с PLA.

ABS-пластик хорошо растворяется в ацетоне, это позволяет производить большие модели по частям с последующим склеиванием, что значительно расширяет возможности недорогих настольных принтеров.

Основным минусом ABS-пластика можно считать высокую степень усадки при охлаждении – материал может потерять до 0,8% объема. Этот эффект может привести к значительным деформациям модели, закручиванию первых слоев и растрескиванию.

Для борьбы с этими неприятными явлениями используются два основных решения:

1. подогреваемые рабочие платформы, способствующие снижению градиента температур между нижними и верхними слоями модели;

2. закрытые корпуса и регулировка фоновой температуры рабочей камеры.

Нельзя не отметить еще один недостаток, что при комнатной температуре ABS-пластик не представляет угрозы здоровью, но при нагревании выделяются пары акрилонитрила – ядовитого соединения, способного вызвать раздражение слизистых оболочек и отравление. Хотя объемы производимого акрилонитрата при маломасштабной печати незначительны, рекомендуется печатать в хорошо проветриваемых помещениях или предусмотреть вытяжку.

Не рекомендуется использовать ABS-пластик для производства пищевых контейнеров и посуды (особенно для хранения горячей пищи или алкогольных напитков) или игрушек для маленьких детей.

Поливиниловый спирт (PVA, ПВА)

Поливиниловый спирт обладает уникальным свойством – он растворяется в воде. Данный материал используется в 3D-принтерах, оснащенных двойными экструдерами, в таком случае из PVA печатаются опоры для модели, которые впоследствии растворяются в воде, а созданная модель не требует механической или химической обработки неровностей. К тому же, PVA можно применять для создания водорастворимых мастер-моделей для литейных форм и самих литейных форм.

Механические свойства PVA достаточно интересны. При низкой влажности пластик обладает высокой прочностью на разрыв. При повышении влажности уменьшается прочность, но возрастает эластичность. Температура экструзии составляет 160-175°C, что позволяет использовать PVA в принтерах, предназначенных для печати ABS и PLA-пластиками.

Хранить PVA пластика необходимо в сухой упаковке и, при необходимости, просушить перед использованием. Сушку можно производить в гончарной печи или обыкновенной духовке. Как правило, просушка стандартных катушек занимает 6-8 часов при температуре 60-80°C. Превышение температуры в 220°C приведет к разложению пластика, что следует учитывать при печати.

Нейлон (Nylon)

Большим преимуществом нейлона является его износоустойчивость и низкий коэффициент трения.

Так, нейлон зачастую используется для покрытия трущихся деталей, что повышает их эксплуатационные качества и зачастую позволяет функционировать без смазки.

Существует несколько видов нейлона, производимых разными методами и имеющих несколько отличающиеся характеристики. Расскажем о них подробнее.

• Наиболее известными являются нейлон-66 и нейлон-6. Эти два варианта очень схожи. С точки зрения 3D-печати основным различием является температура плавления: нейлон-6 плавится при температуре 220°C, а нейлон-66 при 265°C.

• Многие любители предпочитают использовать нейлоновые нити, доступные в широкой продаже – такие, как проволока для садовых триммеров. Диаметр таких материалов зачастую соответствует диаметру стандартных FFF материалов, что делает их использование заманчивым. В то же время, подобные продукты, как правило, не являются чистым нейлоном. В случае с прутками для триммеров, материал состоит из нейлона и стеклопластика для оптимального сочетания гибкости и жесткости. Стеклопластик обладает высокой температурой плавления, в связи с чем печать подобными материалами чревата высоким износом сопла и образованием пробок.

• В последнее время предпринимаются попытки коммерческой разработки печатных материалов на основе нейлона специально для FDM/FFF устройств, в том числе Nylon-PA6 и Taulman 680. Указанные марки подлежат экструзии при температуре 230-260°C.

Так как нейлон легко впитывает влагу, расходный материал следует хранить в вакуумной упаковке или, как минимум, в контейнере с водоабсорбирующими материалами. Признаком чрезмерно влажного материала станет пар, исходящий из сопла во время печати, что не опасно, но может ухудшить качество модели.

При печати нейлоном не рекомендуется использовать полиимидное покрытие рабочего стола, так как эти два материала сплавляются друг с другом. В качестве покрытия можно использовать липкую ленту с восковой пропиткой (masking tape). Использование подогреваемой платформы поможет снизить возможность деформации модели, аналогично печати ABS-пластиком. В связи с низким коэффициентом трения нейлона, следует использовать экструдеры с шипованными протягивающими механизмами.

Слои нейлона прекрасно схватываются, что минимизирует вероятность расслоения моделей.

Нейлон плохо поддается склеиванию, поэтому печать крупных моделей из составных частей затруднительна. Как вариант, возможна сплавка частей.

Так как при нагревании нейлона возможно выделение токсичных паров, рекомендуется производить печать в хорошо вентилируемых помещениях или с использованием вытяжки.

Поликарбонат (PC, ПК)

Данный материал привлекателен за счет своей высокой прочности и ударной вязкости.

Важный момент — это риск для здоровья при печати: в качестве сырья зачастую используется токсичное и потенциально карциногенное соединение бисфенол А, в связи с чем рекомендуется производить печать в хорошо вентилируемых помещениях. А также не использовать готовых изделий из поликарбоната при высоких температурах.

Температура экструзии зависит от скорости печати во избежание растрескивания, но минимальной температурой на скорости 30мм/сек можно считать 265°С. При печати рекомендуется использование полиимидной пленки для лучшего схватывания с поверхностью рабочего стола. Высокая склонность поликарбоната к деформации требует использования подогреваемой платформы и, при возможности, закрытого корпуса с подогревом рабочей камеры.

Поликарбонат легко поглощает влагу, поэтому его нужно хранить во влагозащищенных местах, а в случае печати во влажном климате рабочую катушку необходимо хранить аналогичным образом.

Полиэтилен высокой плотности (HDPE, ПНД)

Вопреки тому, что полиэтилен является наиболее распространенным пластиком в мире, среди 3D-печатных материалов он встречается крайне редко. Причиной тому служат сложности при послойном изготовлении моделей.

Полиэтилен имеет низкую температуру плавления (130-145°С) и застывает при температуре 100-120°С, поэтому наносимые слои не успевают схватываться. К тому же, полиэтилен имеет высокую усадку, что провоцирует закрутку первых слоев и деформацию моделей в целом при неравномерном застывании. Соответственно для печати полиэтиленом необходимо использовать подогреваемые платформы и подогреваемые рабочие камеры, кроме того, скорость печати должна быть достаточно высокой.

Трудности в использовании компенсируются низкой ценой и общедоступностью этого материала. В последнее время были разработаны несколько устройств для переработки пластиковых отходов из ПНД (бутылок, пищевой упаковки и пр.) в стандартные нити для печати на FDM/FFF принтерах. Примерами служат FilaBot и RecycleBot. За счет простоты конструкции, устройства RecycleBot зачастую собираются силами 3D-умельцев.

При плавлении полиэтилена происходит эмиссия паров вредных веществ, поэтому рекомендуется производить печать в хорошо вентилируемых помещениях.

Полипропилен (PP, ПП)

Полипропилен – широко распространенный пластик, применяемый в производстве упаковочных материалов, посуды, шприцов, труб и пр. Материал имеет низкую удельную массу, нетоксичен, обладает хорошей химической стойкостью, устойчив к влаге и износу и достаточно дешев.

Недостатки полипропилена - это уязвимость к температурам ниже -5°С и к воздействию прямого солнечного света.

Главной трудностью при печати полипропиленом является высокая усадка материала при охлаждении – до 2,4%, поэтому рекомендуется печатать на подогреваемой платформе во избежание деформации моделей. Минимальная температура экструзии составляет 220°С.

Полипропиленовые нити для печати предлагаются на продажу компаниями Orbi-Tech, German RepRap, Qingdao TSD Plastic. Компания Stratasys разработала имитатор полипропилена, оптимизированный для 3D-печати, под названием Endur.

Поликапролактон (PCL)

Поликапролактон (Hand Moldable Plastic, Mold-Your-Own Grips, InstaMorph, Shapelock, Friendly Plastic, Polymorph, Полиморфус, Экоформакс) имеет сверхнизкую температуру плавления 60°С, чем радикально ограничивает количество 3D принтеров, с которыми можно использовать данный материал.

Поликапролактон нетоксичен, это биоразлагаемый полиэстр, что обуславливает его применение в медицинской отрасли и для производства пищевых контейнеров. При попадании в организм поликапролактон распадается.

Материал легко слипается с поверхностью даже холодного рабочего стола и легко поддается окраске.

К тому же, полипролактон очень пластичен, поэтому возможно многократное использование.

Поликапролактон малопригоден для создания функциональных механических моделей ввиду вязкости (температура стеклования составляет -60°С) и низкой теплостойкости (температура плавления составляет 60°С).

Полифенилсульфон (PPSU)

Этот термопластик обладает настолько высокой прочностью и огнеупорством, что позволяет активно применять его в авиационной промышленности. Он устойчив к воздействию растворителей и горюче-смазочных материалов.

Полифенилсульфон подойдет для производства посуды и пищевых контейнеров. Диапазон эксплуатационных температур составляет -50°С - 180°С.

При всех своих достоинствах, полифенилсульфон редко используется в 3D-печати ввиду высокой температуры плавления, достигающей 370°С. Для печати при такой температуре необходимы керамические сопла. В настоящее время единственным активным пользователем материала является компания Stratasys, предлагающая промышленные установки Fortus.

Полиметилметакрилат (Acrylic, оргстекло, акрил, ПММА)

Полиметилметакрилат – это органическое стекло.

Данный материал обладает хорошими характеристиками: прочность, влагоустойчивость, экологичность, легко поддается склеиванию, пластичность и устойчивость к воздействию прямого солнечного света.

Тем не менее у акрила есть ряд недостатков, поэтому он плохо подходит для FDM/FFF печати.

• Во-первых, полиметилметакрилат плохо хранится в виде катушек с нитью, так как постоянное механическое напряжение приводит к постепенному разрушению материала.

• Во избежание образования пузырьков разрешение печати должно быть довольно высоким, а такая точность редко встречается среди домашних принтеров.

• Быстрое застывание акрила же требует жесткого климатического контроля рабочей камеры и высокой скорости печати, при этом, показатели скорости печати FDM/FFF принтеров обратно пропорциональны разрешению печати, что не позволяет выполнить предыдущее требование.

Тем не менее, попытки печати акрилом предпринимаются, но на данный момент наилучшие результаты с акрилом показывает другая технология печати ((MJM) от компании 3D Systems) – многоструйное моделирование с использованием фотополимерного акрила. Значительных успехов также достигла компания Stratasys, использующая собственный фотополимерный имитатор акрила VeroClear на принтерах марки Objet Eden.

Полиэтилентерефталат (PET, ПЭТ)

Преимущества данного материала заключаются в том, что он обладает высокой химической устойчивостью к кислотам, щелочам и органическим растворителям, имеет хорошую износоустойчивость при температуре от -40°С до 75°С, а также, легко поддается механической обработке.

При печати ПЭТ существует ряд трудностей: температура плавления составляет 260°С, а усадка при остывании достигает 2%. Решением этих вопросов служат подогреваемые рабочие платформы и закрытые рабочие камеры с регулировкой температуры.

Для того, чтобы получить прозрачные модели, необходимо быстро охладить их при прохождении порога стеклования, составляющего 70°С – 80°С.

Несомненно, материал стал предметом внимания 3D-умельцев, применяющих использованную тару в качестве сырья для бытового производства расходных материалов для 3D-печати. Для изготовления нитей используются такие перерабатывающие устройства, как FilaBot или RecycleBot.

Ударопрочный полистирол (HIPS)

Ударопрочный полистирол широко используется в промышленности в производстве различных бытовых изделий, строительных материалов, одноразовой посуды, игрушек, медицинских инструментов и пр.

Наиболее же привлекательная особенность полистирола в отличие от ABS в том, что он достаточно легко поддается органическому растворителю Лимонену. Так как на ABS-пластик Лимонен эффекта не имеет, возможно использование полистирола в качестве материала для построения растворимых поддерживающих опор. В сравнении с удобным, водорастворимым поливиниловым спиртом (PVA-пластиком), полистирол выгодно отличается относительно низкой стоимостью и устойчивостью к влажному климату, затрудняющему работу с PVA.

Стоит упомянуть, что некоторые производители ABS-пластика подмешивают в свои расходные материалы несколько более дешевый полистирол. Соответственно, модели из таких материалов могут раствориться в Лимонене вместе с опорными структурами.

При нагревании полистирола до температуры экструзии возможно выделение токсичных испарений, в связи с чем рекомендуется осуществлять печать в хорошо проветриваемых помещениях.

Имитаторы

Все вышеописанные виды пластика не отменяют потребность в использовании технологии 3D- печати при работе с другими материалами, такими как дерево, песок, металлы. Для этого создаются имитаторы данных материалов, за основу которых берется оригинальный материал, а термопластик является связующим звеном. Рассмотрим их чуть подробнее.

Древесные имитаторы (LAYWOO-D3, BambooFill)

LAYWOO-D3 – это революционное изобретение Кая Парти. Данный материал на 40% состоит из натуральных древесных опилок микроскопического размера и на 60% из связующего полимера. В результате изделия имитируют деревянные по внешнему виду и по запаху.

LAYWOO-D3 практически неподвержен деформациям, а значит, не требует использования подогреваемой платформы.

Еще одно преимущество в том, что эти материалы нетоксичны и полностью безопасны.

При печати можно использовать уникальную особенность древесных имитаторов, ведь в зависимости от температуры экструзии (180°С-250°С) оттенок может изменяться, чем выше температура, тем темнее оттенок дерева.

Ко всему прочему, по завершению печати с готовыми моделями легко работать дальше, они хорошо поддаются любой механической обработке, легко окрашиваются.

Основным недостатком таких материалов является их стоимость, которая почти в четыре раза выше цен на PLA и ABS-пластики.

В настоящее время ведется разработка и тестирование альтернативных материалов, таких как BambooFill от голландской компании ColorFabb.

Имитаторы песчаника (Laybrick)

Laybrick — это композитный материал, который также изобрел Кай Парти. На этот раз он нацелился создать имитацию песчаника, используя опробованный метод смешивания связующего материала с наполнителем – в данном случае минеральным.

Laybrick позволяет печатать объекты с различной текстурой поверхности. Как это работает: на низких температурах экструзии (165°С-190°С) готовые изделия имеют гладкую поверхность, при повышении температуры материал становится более шершавым, вплоть до высокой степени сходства с натуральным песчаником при температуре экструзии свыше 210°С.

Достоинства древесных имитаторов сохранились и тут. Материал легок в работе, не требует подогрева рабочей платформы, отсутствует деформация при усадке и токсичные испарения при нагревании.

Единственным недостатком можно считать высокую стоимость материала.

Имитаторы металлов (BronzeFill)

В FDM/FFF печати металлические имитаторы лишь появляются на свет. Один из них – BronzeFill. Это прозрачный PLA-пластик с наполнителем из микрочастиц бронзы. Материал, в настоящее время проходит бета-тестирование и должен доказать пригодность для использования в большинстве принтеров.

Тем не менее, изделия, основанные на данном имитаторе, легко поддаются полировке, достигая высокого внешнего сходства с цельнометаллическими изделиями. В то же время стоит учитывать, что связующим элементом материала является термопластик, с соответствующими механическими и температурными ограничениями.

На этом обзор расходных материалов для 3D принтеров с технологией (FDM/FFF) можно закончить. Для выбора подходящего расходного материала под Ваши задачи переходите в категорию «Полиграфическое оборудование > 3D оборудование > Расходные материалы», при возникновении вопросов, Вы всегда можете обратиться к нашим консультантам.