Комплексное руководство по материалам для 3D-печати
Table of Contents
- Типы технологий 3D-печати и предпочтительные материалы
- Пластики в 3D-печати
- 3D-печать металлов
- 3D-печать керамики и экзотических материалов
- Композитные материалы и 3D-печать
- Как выбрать идеальные материалы для 3D-печати
- Постобработка 3D-печатных объектов
- Будущее материалов для 3D-печати
- Вывод
- Читать далее
Технология 3D-печати произвела революцию в производстве и дизайне продукции в последние годы. Также известная как аддитивное производство, 3D-печать создает объекты слой за слоем, используя такие материалы, как пластик, металл, керамика и композиты. Поскольку возможности Оборудование и материалы для 3D-печати продолжают совершенствоваться, все больше отраслей промышленности принимают эту технологию. Но с таким количеством доступных сейчас машин и вариантов материалов, это может быть ошеломляющим для новичков. Цель этого руководства — предоставить всесторонний обзор распространенных технологий и материалов 3D-печати.
Типы технологий 3D-печати и предпочтительные материалы
Существует несколько методов сплавления материалов в процессе наслаивания при 3D-печати:
- Моделирование методом послойного наплавления (FDM) Принтеры выдавливают нагретые термопластичные нити через сопло на рабочую пластину. Обычно используются пластики ABS и PLA.
- Стереолитография (SLA) затвердевает жидкая смола в затвердевший пластик с помощью ультрафиолетового лазерного луча, направляемого сканирующими зеркалами. Смолы разработаны для низкой вязкости и быстрого времени отверждения.
- Селективное лазерное спекание (SLS) Спекает тонкие пластиковые, керамические или металлические порошки вместе с мощным лазером. Не требуются опорные структуры, и можно производить сложные внутренние элементы.
- Дпрямой Митал Ласер Синтеринг (ДМЛС) — аналогичная технология порошковой обработки, разработанная специально для обработки высокопрочных металлических сплавов.
Другие методы, такие как струйная печать материала и струйная печать связующего, позволяют печатать в полном цвете или использовать экзотические сплавы металлов. Возможности продолжают расширяться по мере развития технологий и материалов 3D-печати.
Пластики в 3D-печати
Инженеры-материаловеды продолжают развивать возможности термопластиков для FDM-печати. Вот некоторые усовершенствованные нити возможность печати долговечной конечной продукции:
- ASA (акрилонитрилстиролакрилат)обеспечивает устойчивость к ультрафиолетовому излучению, близкую к ABS, а также устойчивость к погодным условиям на открытом воздухе.
- ПК (поликарбонат)производит сверхпрочные пластиковые компоненты, способные заменить обработанные металлические детали в некоторых случаях. Однако для хорошей межслойной адгезии необходимы навыки печати.
- ТПУ (термопластичный полиуретан) и гибкие нити ТПЭпозволяют создавать резиноподобные отпечатки с исключительной гибкостью для таких применений, как носимые устройства или специальные ручки.
- ПЭЭК (полиэфирэфиркетон)выдерживает агрессивные химикаты и процедуры стерилизации, что делает его пригодным для производства медицинских приборов и научных инструментов. Однако непомерно высокая цена нити PEEK серьезно ограничивает ее применение за пределами промышленности.
3D-печать металлов
До недавнего времени металлы были исключительно областью дорогих промышленных принтеров SLS или DMLS в аэрокосмической и медицинской отраслях. Обычно используются нержавеющая сталь, титан, никель и алюминиевые сплавы. Более мелкие металлические 3D-принтеры, предназначенные для мастерских, университетов и дизайн-студий, теперь расширяют доступ благодаря более низким затратам на оборудование. Большинство из них используют осаждение связанного металла для экструзии композитных нитей, содержащих до 70% металлического порошка.
1. Нержавеющая сталь – высокая прочность и коррозионная стойкость
Печать на нержавеющей стали обеспечивает исключительную размерную стабильность для деталей, которые используются на открытом воздухе или подвергаются воздействию химикатов. Адгезия слоя связанного металлического покрытия позволяет даже печатать мосты или нависания без опор.После спекания детали можно подвергать механической обработке, нарезанию резьбы и полировке, получая свойства, напоминающие свойства традиционно производимой нержавеющей стали.
2. Титан – чрезвычайно легкий и прочный
Аэрокосмическая промышленность часто работает с титановыми сплавами, поскольку их соотношение прочности и веса превосходит показатели алюминия. 3D-печать сложных титановых деталей в одной части избегайте сварных соединений, которые ослабляют обработанные титановые конструкции. Высокие цены на титановый порошок остаются барьером за пределами таких отраслей, как автоспорт, ищущих легкие металлические компоненты.
3. Алюминий – доступный альтернативный металл
Алюминий широко используется благодаря своему малому весу и коррозионной стойкости. Металлическая 3D-печать позволяет объединять индивидуальные алюминиевые детали, созданные в прошлом в виде сборок. Прототипы инструментов, компоненты робототехники и модели дизайна — все это выигрывает от Алюминий, напечатанный на 3D-принтереПоскольку стоимость принтеров продолжает снижаться, малые предприятия могут использовать быструю алюминиевую оснастку, не завися от внешних поставщиков.
3D-печать керамики и экзотических материалов
Техническая керамика из оксида алюминия, циркония и карбида кремния требует чрезвычайно высоких температур и точных инструментов для эффективной обработки. Такие детали, как керамические рабочие колеса насосов и системы наведения ракет, ранее было невозможно производить за пределами специализированных литейных цехов. 3D-печать устраняет эти барьеры с помощью технологий спекания сложных керамических компонентов в порошковом слое.
Плюс, возможности выходят за рамки только керамики. Поскольку все больше исследований изучают использование металлических и керамических порошков с струйным нанесением связующего, даже редкие и драгоценные материалы, такие как серебро или золото, могут быть напечатаны на 3D-принтере. Технология может облегчить изготовление индивидуальных медицинских имплантатов или электроники, интегрирующих проводящие дорожки, напечатанные из настоящей медной или графеновой пасты. Мы только начинаем изучать потенциал, охватывающий Керамика, напечатанная на 3D-принтере, стекло и экзотические материалы.
Композитные материалы и 3D-печать
В то время как пластмассы, металлы и керамика остаются традиционными материалами, используемыми в производстве, композиты, сочетающие полимеры с другими армирующими материалами, обеспечивают превосходные механические характеристики, недостижимые с помощью традиционных методов.
1. Композитные материалы из углеродного волокна, напечатанные на 3D-принтере
FDM-печать с нить из углеродного волокна заполняет детали легким и жестким полимером. Жесткие нити требуют использования сопел из закаленной стали для печати износостойких компонентов, которые прочнее нейлона и приближаются к алюминию. Область применения варьируется от изготовления рам квадрокоптеров на заказ до высокопроизводительных автомобильных деталей.
2. Композиты с металлическим и древесным наполнителем
Моделирование методом наплавления также легко сочетает стандартные пластики ABS и PLA с металлическими порошками или древесной массой для изменения эстетических, термических и функциональных свойств. Отпечатки с добавлением латуни, меди и бронзы визуально напоминают обработанный металл, сохраняя при этом более легкий вес пластика. Древесный наполнитель даже захватывает реалистичные узоры зерна для прототипов мебели.
Как выбрать идеальные материалы для 3D-печати
При наличии такого большого количества машин и материалов для любого применения и бюджета, для правильного соответствия технологии печати целям дизайна и требованиям к материалам необходимо провести исследование и учесть следующие ключевые факторы:
- Функциональность детали — будет ли она подвергаться нагрузкам или суровым условиям окружающей среды?
- Необходима точность размеров и печати
- Механические свойства, такие как жесткость, износостойкость или температурные ограничения
- Стоимость материалов — экзотические нити могут иметь более высокую цену
- Простота последующей обработки — опоры для печати с некоторых материалов легче удалять.
- Модель и характеристики вашего 3D-принтера. Возможности обработки материалов различаются.
Сравнение популярных материалов для 3D-печати по ключевым характеристикам
| Материал | Характеристики | Параметры печати | Расходы |
|---|---|---|---|
| НОАК | Средняя прочность, низкая гибкость, средняя долговечность | 180-230°С | Низкий |
| АБС | Прочный, умеренно гибкий, очень долговечный | 210-250°С | Середина |
| ПЭТГ | Прочность и гибкость, высокая долговечность | 230-260°С | Середина |
| ТПУ | Средняя прочность, очень высокая гибкость, умеренная долговечность | 220-250°С | Средний-Высокий |
| нейлон | Высокая прочность и гибкость, превосходная долговечность | 240-260°С | Высокий |
| ПИК | Чрезвычайно прочный, минимально гибкий, очень долговечный | 360-400°С | Очень высокий |
| Смола | Прочность и долговечность зависят от типа, неэластичный, отверждается УФ-излучением | Н/Д | Высокий |
Получение опыта остается критически важным перед попыткой создания сложных конструкций. Постоянные инновации в области материалов также дают 3D-принтерам больше возможностей с каждым годом. Ссылки на количественные данные, такие как паспорта безопасности или технические паспорта, помогают инженерам и дизайнерам при выборе и оценке оптимального материала для каждого применения.
Постобработка 3D-печатных объектов
Свежий отпечаток прямо с платформы редко удовлетворяет требованиям сразу из коробки. Различные процессы отделки улучшают прочность, эстетику и функциональность:
- Удаление опорных конструкций– Отломайте опоры или растворите их в химических ваннах.
- Шлифовка и опиливание– Сглаживает поверхностные переходы между слоями, видимые на отпечатках.
- Грунтовка и покраска– В частности, отпечатки SLA необходимо сглаживать, герметизировать и красить, чтобы скрыть неровности печатного слоя, выявленные после шлифования.
- Соединение частей- Склеивание компонентов с использованием растворителей, эпоксидных смол или сварочных швов MABS.
- Металлические принты– Требуются циклы удаления связующих и спекания для сжигания полимеров и сплавления порошков в твердые металлы.
Будущее материалов для 3D-печати
3D-печать продолжает расширяться от узкоспециализированных целей быстрого прототипирования до производства готовых деталей в различных отраслях. С экономией масштаба, более низкими затратами на принтеры и более широким ассортиментом материалов будущее полностью распределенного и заказного производства вполне вероятно. Но настоящая устойчивость зависит от перестройки цепочек поставок для сохранения ресурсов по мере развития технологий.
Прорывы в возобновляемые биопластики и зеленая химия может минимизировать отходы и потребление энергии во время синтеза материалов для 3D-принтеров. Вторичная переработка также требует большего внимания при разработке новых композитов или технических полимеров. Благодаря совместным усилиям предприятий, исследователей и регулирующих органов 3D-печать может обеспечить экологически чистый и справедливый доступ к производимым товарам во всем мире.
Вывод
По мере того, как принтеры и материалы совершенствуются, чтобы обеспечить большую точность, прочность и функциональность при меньших затратах, возможности безграничны. Зная основные методы, материалы и методы постобработки, описанные здесь, инженеры могут использовать 3D-печать для создания совершенно новых проектов продуктов и предприятий. Поддержание ответственных и устойчивых практик по мере дальнейшего распространения 3D-печати обеспечит развитие технологии в направлении справедливого и процветающего будущего во всем мире.