Руководство по материалам для 3D-печати: типы, способы применения и свойства

Для 3D-печати доступны десятки материалов из пластмассы. Каждый из них обладает уникальными свойствами, подходящими для конкретных способов применения. Для более простого поиска материала, лучше всего подходящего для создания конкретной модели или изделия, сначала рассмотрим основные типы пластмасс и различные процессы 3D-печати.

Существует два основных типа пластмасс:

• Термопласты — это наиболее распространенный тип пластмасс. Главная особенность, отличающая их от термореактивных пластмасс, — способность выдерживать многочисленные циклы плавления и отвердевания. Термопласты можно нагревать и придавать им желаемую форму. Этот процесс обратим, поскольку не происходит образования химической связи. Благодаря этому их можно перерабатывать или расплавлять и использовать повторно. Термопласты можно сравнить со сливочном маслом: оно растапливается и затвердевает множество раз. При каждом цикле плавления свойства термопластов немного меняются.

• Термореактивные пластмассы (также называемые термореактивными материалами) постоянно остаются в твердом состоянии после полимеризации. Полимеры в термореактивных пластмассах сшиваются во время процесса полимеризации, который индуцируется теплом, светом или соответствующим излучением. Термореактивные пластмассы разлагаются при нагревании, а не плавятся. Кроме того, они не меняют свою форму при охлаждении. Переработка термореактивных пластмасс или восстановление материала к исходному состоянию невозможна. Термореактивный материал подобен тесту для пирога: после выпечки пирог нельзя снова переплавить в тесто.

Сегодня наиболее распространены следующие три процесса 3D-печати с помощью пластмасс:

• 3D-принтеры на базе технологии моделирования методом наплавления (FDM) выплавляют и экструдируют термопластичные нити, которые сопло принтера слой за слоем наносит на рабочую область.

• 3D-принтеры на базе технологии стерелитографии (SLA) используют лазер для фотополимеризации термореактивных жидких полимеров в затвердевшую пластмассу.

• 3D-принтеры на базе технологии селективного лазерного спекания (SLS) оснащены высокомощным лазером для спекания мелких частиц термопластичного порошка.

Моделирование методом наплавления (FDM), также известное как производство способом наплавления нитей (FFF), — наиболее распространенная форма 3D-печати потребительского уровня, чему способствовало распространение любительских 3D-принтеров. 

Этот способ хорошо подходит для изготовления базовых экспериментальных моделей, а также для быстрого и недорогого создания прототипов простых изделий, например деталей, которые обычно подвергаются механической обработке.

Технология FDM потребительского класса имеет самое низкое разрешение и точность по сравнению другими процессами 3D-печати из пластмасс, из-за чего она не подходит для печати сложных конструкций или моделей с замысловатыми элементами. Повысить качество поверхности моделей, напечатанных по этой технологии, можно с помощью химических и механических процессов полировки. Решить эти проблемы могут промышленные 3D-принтеры на базе технологии FDM, которые предлагают более широкий ассортимент инженерных термопластов, но и стоят значительно дороже.

Каждый слой формируется термопластичной нитью. Иногда, если слои не полностью прилегают друг к другу, между ними могут остаться пустоты. В результате получаются анизотропные модели, что важно учитывать при проектировании изделий, которые должны выдерживать нагрузку и быть устойчивыми к натяжению.

Самые распространенные материалы для 3D-печати по технологии FDM — АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол), ПЛА (полимолочная кислота) и различные смеси этих полимеров. Более совершенные принтеры с технологией FDM могут также выполнять печать с помощью других материалов, обладающих иными свойствами, такими как повышенная устойчивость к воздействию температуры и химических веществ, ударопрочность и жесткость.

Изобретенная в 1980-х годах стереолитография — это первая в мире технология 3D-печати, которая до сих пор остается одной из самых популярных среди профессионалов. 

Модели, напечатанные на стерелитографических принтерах, имеют самое высокое разрешение и точность, самую четкую детализацию и самую гладкую поверхность по сравнению с другими технологиями 3D-печати из пластмасс. 3D-печать с использованием полимеров — отличный вариант для изготовления высокодетализированных прототипов, требующих жестких допусков и гладких поверхностей, таких как пресс-формы, шаблоны и функциональные модели. Модели, напечатанные по технологии SLA, легко поддаются полировке и (или) покраске после печати, в результате чего можно получить готовые изделия с высокой детализацией.

Модели, напечатанные на 3D-принтерах по технологии SLA, как правило, изотропны: их прочность более или менее постоянна и независит от ориентации, поскольку химические связи возникают между каждым слоем. Это позволяет получить модели с предсказуемыми механическими характеристиками, критически важными для таких целей, как производство крепежных и зажимных приспособлений, готовых изделий, а также функциональных прототипов.

3D-печать по технологии SLA универсальна и обеспечивает широкий спектр оптических, механических и термических свойств, которые соответствуют характеристикам стандартных, инженерных и промышленных термопластов.

3D-печать методом селективного лазерного спекания (SLS) — это технология, которой доверяют инженеры и производители в разных отраслях, ведь она позволяет создавать прочные и функциональные модели. Благодаря низкой себестоимости модели, высокой производительности и использованию распространенных материалов эта технология отлично подходит для решения широкого спектра задач: от быстрого прототипирования до мелкосерийного производства, изготовления ограниченных пробных партий или создания изделий по индивидуальному заказу.

Неспекшийся порошок поддерживает модель во время печати и устраняет необходимость в создании специальных поддерживающих структур. В результате технология SLS идеально подходит для изготовления моделей со сложной геометрией, в том числе с внутренними элементами, поднутрениями, тонкими стенками, а также элементами с отрицательным уклоном. 

Как и стереолитография, технология SLS позволяет изготавливать более изотропные модели по сравнению с моделями, созданными методом FDM. Модели, созданные по технологии SLS, обладают слегка шероховатой поверхностью из-за частиц порошка, но практически не имеют видимых линий слоев.

По сравнению с технологиями FDM и SLA технология SLS позволяет использовать ограниченное количество материалов. Однако доступные материалы отличаются превосходными механическими характеристиками. Они обладают прочностью, сравнимой с моделями, которые были отлиты под давлением. Самый распространенный материал для селективного лазерного спекания — нейлон, популярный инженерный термопластик с превосходными механическими свойствами. Нейлон легкий, прочный и гибкий, устойчив к ударам, нагреву, воздействию химических веществ, ультрафиолетового излучения, воды и грязи.

Существует несколько процессов 3D-печати не только из пластмасс, но и металлов. 

• Печать из металлов по технологии FDM

Принтеры, выполняющие печать из металлов по технологии FDM, устроены аналогично традиционным FDM-принтерам, но в них используются экструдированные металлические стержни, удерживаемые связующим полимером. Готовые модели находятся в промежуточном состоянии, а затем спекаются в печи для удаления связующего вещества. 

• Селективное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS) 

Принтеры на базе технологий SLM и DMLS устроены аналогично принтерам с технологией SLS, однако вместо полимерных порошков они слой за слоем сплавляют частицы металлического порошка с помощью лазера. 3D-принтеры на базе технологий SLM и DMLS позволяют создавать прочные, точные и сложные металлические изделия, благодаря чему этот процесс идеально подходит для аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности.

• Титан — легкий металл с отличными механическими характеристиками. Он прочный, твердый и обладает высокой устойчивостью к нагреванию, окислению и воздействию кислот.

• Нержавеющая сталь отличается высокой прочностью и пластичностью, а также устойчива к коррозии.

• Алюминий — легкий, долговечный, прочный металл, обладающий хорошими тепловыми свойствами.

• Инструментальная сталь — твердый, устойчивый к царапинам материал, который можно использовать для печати инструментов для конечного применения и других изделий высокой прочности.

• Никелевые сплавы обладают высокой упругостью на растяжение, ползучестью и пределом прочности на разрыв, а также термо- и коррозионной стойкостью.

По сравнению с технологиями 3D-печати из пластмасс 3D-печать из металлов значительно дороже и сложнее, поэтому она недоступна большинству компаний.

В качестве альтернативы для рабочих процессов литья, которые позволяют изготавливать металлические модели дешевле и быстрее по сравнению с традиционными методами и предоставляют большую свободу проектирования, хорошо подходит 3D-печать по технологии SLA. 

Другой альтернативой является гальванизация моделей, напечатанных по технологии SLA. Она предполагает нанесение на пластмассу слоя металла с помощью электролиза. Это позволяет объединить некоторые из лучших качеств металла (прочность, электропроводность, устойчивость к коррозии и истиранию) с особыми свойствами основного (обычно пластмассового) материала.

Существует множество материалов и доступных вариантов 3D-печати, поэтому сделать правильный выбор бывает трудно.

Мы предлагаем трехэтапную схему выбора подходящего материала для 3D-печати.

Пластмассы, используемые для 3D-печати, обладают различными химическими, оптическими, механическими и тепловыми характеристиками, которые влияют на свойства моделей, созданных с помощью 3D-печати. По мере перехода от сценария предполагаемого использования к реальным условиям эксплуатации требования к функциональным характеристикам соответственно возрастают.

После определения функциональных характеристик вашего продукта следует преобразовать их в требования, предъявляемые к материалу: свойства материала, которые будут удовлетворять этим требованиям. Эти показатели обычно приводятся в технических характеристиках материала.

Для получения более подробной информации о свойствах материалов, см. наше руководство по наиболее распространенным механическим и термическим свойствам.

После преобразования функциональных характеристик в требования, предъявляемые к материалам, вы, скорее всего, сможете узнать, какой материал или небольшая группа материалов подходят для вашего способа применения. 

Если вашим основным требованиям отвечают несколько материалов, для окончательного выбора можно рассмотреть более широкий диапазон желаемых характеристик, а также преимущества и недостатки этих материалов и процессов.