Przewodnik po materiałach do druku 3D

Ten kompleksowy przewodnik po materiałach do druku 3D prezentuje najpopularniejsze dostępne materiały do druku 3D z tworzyw sztucznych i porównuje ich właściwości oraz zastosowania. Istnieją dziesiątki tworzyw sztucznych dostępnych do druku 3D, z których każdy ma swoje unikalne cechy, które sprawiają, że najlepiej nadaje się do określonych zastosowań. Aby uprościć proces znajdowania materiału najlepiej nadającego się do danej części lub produktu, przyjrzyjmy się najpierw głównym rodzajom tworzyw sztucznych i różnym procesom drukowania 3D.

Rodzaje tworzyw sztucznych

Istnieją dwa główne rodzaje tworzyw sztucznych:

Tworzywa termoplastyczne

Tworzywa termoplastyczne są najczęściej stosowanym rodzajem plastiku. Główną cechą odróżniającą je od tworzyw termoutwardzalnych jest ich zdolność do przechodzenia przez liczne cykle topienia i krzepnięcia. Tworzywa termoplastyczne mogą być podgrzewane i formowane do pożądanego kształtu. Proces ten jest odwracalny, ponieważ nie zachodzi wiązanie chemiczne, co umożliwia recykling lub topienie i ponowne wykorzystanie tworzyw termoplastycznych.

Tworzywa termoutwardzalne

Tworzywa termoutwardzalne pozostają w stanie stałym po utwardzeniu. Polimery w materiałach termoutwardzalnych łączą się podczas procesu utwardzania, który jest wykonywany poprzez ciepło, światło lub odpowiednie promieniowanie. Tworzywa termoutwardzalne ulegają rozkładowi po podgrzaniu. Recykling tworzyw termoutwardzalnych lub powrót materiału do jego podstawowych składników nie jest możliwy.

Procesy druku 3D z tworzyw sztucznych

Trzy najpopularniejsze obecnie procesy druku 3D z tworzyw sztucznych są następujące:

• Technologia drukowania FDM / FFF - drukarki 3D topią i wytłaczają termoplastyczne filamenty, które dysza do drukarki 3D nanosi warstwa po warstwie w obszarze roboczym.
• Drukarki 3D wykorzystujące stereolitografię (SLA) używają lasera do utwardzania płynnych żywic termoutwardzalnych w utwardzony plastik w procesie zwanym fotopolimeryzacją.
• Selektywne spiekanie laserowe (SLS) - drukarki 3D wykorzystują laser o dużej mocy do łączenia małych cząstek proszku termoplastycznego.

Druk 3D w technologii FDM

Technologia FDM jest najczęściej stosowaną formą druku 3D. Technologia ta dobrze nadaje się do podstawowych modeli, a także do szybkiego i taniego prototypowania prostych części.

Technologia FDM ma najniższą rozdzielczość i dokładność w porównaniu z innymi procesami druku 3D z tworzyw sztucznych i nie jest najlepszą opcją do drukowania złożonych projektów lub części o skomplikowanych cechach. Wyższą jakość wykończenia można uzyskać dzięki chemicznym i mechanicznym procesom polerowania. Przemysłowe drukarki 3D typu FDM wykorzystują rozpuszczalne materiały podporowe, aby złagodzić niektóre z tych problemów i oferują szerszy zakres termoplastów inżynieryjnych, a nawet kompozytów.

Ponieważ stopiony filament do drukarki 3D tworzy każdą warstwę, czasami między warstwami mogą pozostać puste przestrzenie, gdy nie przylegają one w pełni. Powoduje to powstawanie części anizotropowych, co należy wziąć pod uwagę podczas projektowania części, które mają wytrzymać obciążenie lub odporność na ciągnięcie.

Popularne materiały do druku 3D w technologii FDM

Najpopularniejszymi materiałami do druku 3D w technologii FDM są ABS, PLA i ich różne mieszanki. Bardziej zaawansowane drukarki FDM mogą również drukować z innych specjalistycznych materiałów, które oferują właściwości takie jak wyższa odporność na ciepło, odporność na uderzenia, odporność chemiczna i sztywność. Oto kilka materiałów do druku 3D wraz z ich cechami i zastosowaniem:

ABS

• Wytrzymały i trwały
• Odporny na ciepło i uderzenia
• Funkcjonalne prototypy

PLA

• Najłatwiejszy do drukowania materiał FDM
• Sztywny, wytrzymały, ale kruchy
• Biodegradowalny

PETG

• Odporność na wilgoć i chemikalia
• Wysoka przezroczystość
• Wodoodporny

Nylon

• Mocny, trwały i lekki
• Wytrzymały i częściowo elastyczny
• Odporny na ciepło i uderzenia

TPU

• Elastyczny i rozciągliwy
• Odporny na uderzenia
• Doskonałe tłumienie drgań

PVA

• Rozpuszczalny materiał pomocniczy
• Rozpuszczalny w wodzie
• Materiał pomocniczy

HIPS

• Materiał pomocniczy
• Materiał pomocniczy często używany razem z materiałem ABS

Kompozyty

• Sztywne, mocne lub wyjątkowo wytrzymałe
• Funkcjonalne prototypy
• Przyrządy, uchwyty i oprzyrządowanie

Druk 3D w technologii SLA

Stereolitografia była pierwszą na świecie technologią druku 3D, wynalezioną w latach 80. i nadal jest jedną z najpopularniejszych technologii dla profesjonalistów. Części SLA charakteryzują się najwyższą rozdzielczością i dokładnością, najwyraźniejszymi detalami i najgładszym wykończeniem powierzchni spośród wszystkich technologii druku 3D z tworzyw sztucznych. Druk 3D z żywicy to świetna opcja dla bardzo szczegółowych prototypów wymagających wąskich tolerancji i gładkich powierzchni, a także części funkcjonalnych, takich jak formy, wzory i części do użytku końcowego. Części drukowane w technologii SLA 3D mogą być również poddawane obróbce końcowej po wydrukowaniu poprzez polerowanie, malowanie, powlekanie i nie tylko, co pozwala uzyskać gotowe do użytku części o wysokiej jakości wykończenia.

Części drukowane przy użyciu druku 3D SLA są izotropowe - ich wytrzymałość jest stała niezależnie od orientacji, ponieważ wiązania chemiczne zachodzą między każdą warstwą. Skutkuje to częściami o przewidywalnych parametrach mechanicznych, niezbędnych dla zastosowań takich jak przyrządy i uchwyty, części do zastosowań końcowych i funkcjonalne prototypowanie.

Popularne materiały do druku 3D w technologii SLA

Druk 3D w technologii SLA jest bardzo wszechstronny, oferując żywice o szerokim zakresie właściwości optycznych, mechanicznych i termicznych, które dorównują standardowym, inżynieryjnym i przemysłowym tworzywom termoplastycznym. Druk 3D z żywic oferuje również najszersze spektrum materiałów biokompatybilnych. Oto kilka materiałów do druku 3D wraz z ich cechami i zastosowaniem:

Żywice standardowe

• Wysoka rozdzielczość
• Gładkie, matowe wykończenie powierzchni
• Modele koncepcyjne

Przezroczysta żywica Clear

• Jedyny prawdziwie przezroczysty materiał do druku 3D z tworzyw sztucznych
• Części wymagające optycznej przezroczystości

Żywice Tough i Durable

• Mocne i wytrzymałe
• Wytrzymałe na ściskanie, rozciąganie i uderzenia
• Właściwości podobne do ABS lub PE

Żywice poliuretanowe

• Doskonała wytrzymałość i trwałość
• Odporność na promieniowanie UV, temperaturę i wilgotność
• Odporność na chemikalia i ścieranie

Żywice wysokotemperaturowe High Temp

• Odporność na wysokie temperatury
• Wysoka precyzja
• Odporność na wysoką temperaturę

Elastyczne żywice

• Elastyczność gumy lub silikonu
• Odporność na zginanie, wyginanie i ściskanie
• Urządzenia medyczne i modele anatomiczne

Żywice ESD

• Usprawnia procesy produkcji elektroniki
• Prototypy antystatyczne i komponenty końcowe

Żywica trudnopalna (FR)

• Trudnopalna, żaroodporna, wytrzymała
• Części w samolotach i samochodach
• Części zamienne dla środowisk przemysłowych

Druk 3D metodą selektywnego spiekania laserowego (SLS) cieszy się zaufaniem inżynierów i producentów z różnych branż ze względu na możliwość wytwarzania wytrzymałych i funkcjonalnych części. Niski koszt pojedynczej części, wysoka produktywność i sprawdzone materiały sprawiają, że technologia ta jest idealna do szeregu zastosowań, od szybkiego prototypowania po pomoc w produkcji i produkcję małoseryjną.

Ponieważ niestopiony proszek podtrzymuje część podczas drukowania, nie ma potrzeby stosowania dedykowanych konstrukcji wsporczych. Sprawia to, że SLS jest idealny do złożonych geometrii, w tym elementów wewnętrznych, podcięć, cienkich ścianek i elementów ujemnych.

Podobnie jak w przypadku SLA, wydruki 3D w technologii SLS są izotropowe. Części SLS mają nieco szorstkie wykończenie powierzchni ze względu na cząsteczki proszku, ale prawie nie ma widocznych linii warstw. Wydruki 3D SLS można łatwo poddać obróbce końcowej, aby jeszcze bardziej poprawić wydajność mechaniczną i wygląd.

Popularne materiały do druku 3D w technologii SLS

Wybór materiałów do SLS jest ograniczony w porównaniu do FDM i SLA. Dostępne materiały mają doskonałe właściwości mechaniczne, a ich wytrzymałość przypomina części formowane wtryskowo. Najpopularniejszym materiałem do selektywnego spiekania laserowego jest nylon, popularny termoplastyczny materiał konstrukcyjny o doskonałych właściwościach mechanicznych. Nylon jest lekki, wytrzymały i elastyczny, a także odporny na uderzenia, chemikalia, ciepło, promieniowanie UV, wodę i zabrudzenia. Inne popularne materiały do druku 3D w technologii SLS to polipropylen (PP) i elastyczny TPU. Oto kilka materiałów do druku 3D wraz z ich cechami i zastosowaniem:

Nylon 12

• Mocny, sztywny, wytrzymały i trwały
• Odporny na promieniowanie UV, ciepło
• Odporny na wilgoć, rozpuszczalniki, temperaturę i wodę

Nylon 11

• Podobne właściwości do Nylonu 12, ale wyższa elastyczność
• Odporność na uderzenia
• Części do zastosowań końcowych

Kompozyty nylonowe

• Wzmocnione włóknem szklanym, aluminiowym lub węglowym
• Zwiększona wytrzymałość i sztywność
• Funkcjonalne prototypowanie

Nylon 11 CF / Nylon 12 CF

• Wzmocnione włóknem węglowym w celu zwiększenia wytrzymałości i sztywności
• Funkcjonalne prototypowanie
• Strukturalne części do zastosowań końcowych

Polipropylen

• Ciągliwy i trwały
• Odporny chemicznie
• Wodoszczelny

TPU

• Elastyczny i sprężysty
• Odporny na odkształcenia
• Wysoka stabilność UV

Porównanie materiałów i procesów druku 3D z tworzyw sztucznych

Różne materiały do druku 3D i procesy druku 3D z tworzyw sztucznych mają swoje mocne i słabe strony, które określają ich przydatność do różnych zastosowań. Poniższe zestawienie zawiera ogólne podsumowanie niektórych kluczowych cech i czynników.

Technologia FDM

Zalety

• Niedrogie urządzenia
• Szeroka gama dostępnych rodzajów materiałów
• Szeroka gama kolorystyczna materiałów
• Mniejsze koszty drukowania
• Możliwość szybkiego prototypowania

Technologia SLA

Zalety

• Wysoka dokładność
• Gładkie wykończenie powierzchni
• Idealne do zastosowań w medycynie
• Doskonale sprawdzi się w jubilerstwie
• Żywice biokompatybilne

Technologia SLS

Zalety

• Mocne i funkcjonalne części
• Brak konieczności stosowania podpór
• Swoboda projektowania
• Prototypowanie funkcjonalne
• Wysokiej jakości wytrzymałe materiały

Druk 3D z metalu

Oprócz tworzyw sztucznych, istnieje wiele procesów druku 3D dostępnych dla druku z metalu.

Drukarki FDM do metalu działają podobnie do tradycyjnych drukarek FDM. Wydrukowane części są następnie spiekane w piecu w celu usunięcia spoiwa.

Selektywne topienie laserowe (SLM) i bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS).

Drukarki 3D do metalu SLM i DMLS działają podobnie do drukarek SLS, ale zamiast stapiać proszki polimerowe, łączą cząsteczki proszku metalowego warstwa po warstwie za pomocą lasera. Drukarki 3D SLM i DMLS mogą tworzyć mocne, dokładne i złożone produkty metalowe, dzięki czemu proces ten jest idealny do zastosowań w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i medycznym.

Popularne materiały do druku 3D z metalu

• Tytan to lekki materiał posiadający doskonałe właściwości mechaniczne. Jest wytrzymały, twardy i wysoce odporny na ciepło, utlenianie i kwasy.
• Stal nierdzewna charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, plastycznością i odpornością na korozję.
• Aluminium to lekki oraz trwały materiał posiadający dobre właściwości termiczne.
• Stal narzędziowa to twardy, odporny na zarysowania materiał, który można wykorzystać do drukowania narzędzi końcowych i innych wytrzymałych części.
• Stopy niklu charakteryzują się wysoką wytrzymałością na rozciąganie, pełzanie i pękanie oraz są odporne na ciepło i korozję.