Изчерпателно ръководство за 3D печатни материали

Технология за 3D печат революционизира производството и продуктовия дизайн през последните години. Известен още като адитивно производство, 3D печатът изгражда обекти слой по слой, използвайки материали като пластмаси, метали, керамика и композити. С развитието на възможностите на... Хардуерът и материалите за 3D печат продължават да се развиват, все повече индустрии внедряват тази технология. Но с толкова много машини и опции за материали, които вече са налични, това може да се окаже непосилно за начинаещите. Това ръководство има за цел да предостави цялостен преглед на често срещаните технологии и материали за 3D печат.

Видове технологии за 3D печат и предпочитани материали

Съществуват няколко метода за сливане на материали по време на процеса на наслояване при 3D печат:

• Моделиране на стопено отлагане (FDM) Принтерите екструдират нагряти термопластични филаменти през дюза върху конструиращата плоча. ABS и PLA пластмасите се използват най-често.
• Стереолитография (SLA) Втвърдява течната смола във втвърдена пластмаса, използвайки ултравиолетов лазерен лъч, насочен от сканиращи огледала. Смолите са формулирани за нисък вискозитет и бързо време на втвърдяване.
• Селективно лазерно синтероване (SLS) Синтерова фини пластмасови, керамични или метални прахове заедно с мощен лазер. Не са необходими поддържащи структури и могат да се произвеждат сложни вътрешни елементи.
• Ддиректно Метал Ласер Синтеринг (DMLS) е подобна технология с прахово легло, проектирана специално за обработка на високоякостни метални сплави.

Други методи, като струйно нанасяне на материали и струйно нанасяне на свързващи вещества, могат да печатат в пълен цвят или да използват екзотични метални сплави. Възможностите продължават да се разширяват с напредването на технологиите за 3D печат и материалите.

Пластмаси в 3D печат

Инженерите по материали продължават да разширяват възможностите на термопластите за FDM печат. Ето някои усъвършенствани филаменти способен да печата трайни продукти за крайна употреба:

• ASA (акрилонитрил стирен акрилат)предлага UV устойчивост, близка до ABS, както и устойчивост на външни атмосферни влияния.
• PC (поликарбонат)произвежда свръхздрави пластмасови компоненти, способни в някои случаи да заменят машинно обработените метални части. Печатните познания обаче са от съществено значение за добрата междуслойна адхезия.
• TPU (термопластичен полиуретан) и гъвкави TPE филаментипозволяват гумоподобни отпечатъци с изключителна огъваемост за приложения като носими устройства или персонализирани дръжки.
• PEEK (полиетер етер кетон)Издържа на агресивни химикали и процедури за стерилизация, което го прави подходящ за производство на медицински изделия и научни инструменти. Прекомерно високата цена на PEEK филамента обаче силно ограничава неговото приложение извън индустриите.

3D печат на метали

Доскоро металите бяха единствено домен на скъпите SLS или DMLS индустриални принтери в аерокосмическия и медицинския сектор. Неръждаема стомана, титан, никел и алуминиеви сплави са често използвани. По-малките метални 3D принтери, предназначени за работилници, университети и дизайнерски студия, сега разширяват достъпа си благодарение на по-ниските разходи за хардуер. Повечето използват отлагане на свързан метал за екструдиране на композитни филаменти, съдържащи до 70% съдържание на метален прах.

1. Неръждаема стомана – висока якост и устойчивост на корозия

Печат от неръждаема стомана Осигурява изключителна размерна стабилност за части, които са изложени на външна употреба или химикали. Адхезията на слоевете от свързано метално отлагане позволява дори печат на мостове или надвеси без опори.Частите могат да бъдат обработвани машинно, нарязвани на резба и полирани след синтероване за свойства, наподобяващи традиционно произвежданата неръждаема стомана.

2. Титан – изключително лек и здрав

Аерокосмическата промишленост често работи с титанови сплави, поради съотношението якост-тегло, което превъзхожда алуминиевите. 3D печат на сложни титаниеви части в едно цяло, избягвайки заварените съединения, които отслабват машинно обработените титаниеви конструкции. Високите цени на титановия прах остават бариера извън индустрии като моторните спортове, търсещи леки метални компоненти.

3. Алуминий – достъпен алтернативен метал

Алуминият се използва широко благодарение на ниското си тегло и устойчивост на корозия. 3D печатът върху метал прави възможно консолидирането на персонализирани алуминиеви части, изграждани като сглобки в миналото. Прототипи на инструменти, компоненти за роботика и дизайнерски модели се възползват от... 3D-принтиран алуминийС по-нататъшното намаляване на разходите за принтери, малките предприятия могат да се възползват от бързото производство на алуминиеви инструменти, без да зависят от външни доставчици.

3D печат на керамика и екзотични материали

Техническата керамика, изработена от алуминиев оксид, цирконий и силициев карбид, изисква изключително високи температури и прецизни инструменти за ефективна обработка. Части като керамични помпени работни колела и системи за насочване на ракети преди това бяха невъзможни за производство извън специализирани леярни. 3D печатът елиминира тези бариери с технологии в прахово легло, които синтероват сложни керамични компоненти.

Освен това, възможностите се разширяват отвъд керамиката. Тъй като все повече изследвания изследват използването на метални и керамични прахове със струйно нанасяне на свързващо вещество, дори редки и ценни материали като сребро или злато могат да бъдат отпечатани на 3D принтер. Технологията може да улесни персонализираните медицински импланти или електрониката, интегриращи проводими следи, отпечатани от истинска медна или графенова паста. Едва сега започваме да изследваме потенциалния обхват... 3D-принтирана керамика, стъкло и екзотични материали.

Композитни материали и 3D печат

Докато пластмасите, металите и керамиката остават конвенционалните материали, използвани в производството, композитите, комбиниращи полимери с други армировки, осигуряват превъзходни механични характеристики, недостижими чрез конвенционални методи.

1. 3D-принтирани композити от въглеродни влакна

FDM печат с въглеродни влакна запълва частите с лек и твърд полимер. Твърдите нишки изискват дюзи от закалена стомана, за да отпечатват устойчиви на износване компоненти, по-здрави от найлон и приближаващи се до алуминий. Приложенията варират от персонализирани рамки за квадрокоптери до високопроизводителни автомобилни части.

2. Композити, пълни с метал и дърво

Моделирането чрез стопяване и отлагане лесно комбинира стандартни ABS и PLA пластмаси с метални прахове или дървесна пулпа, за да промени естетическите, термичните и функционалните свойства. Отпечатъците с месинг, мед и бронз наподобяват визуално обработен метал, като същевременно запазват по-лекото тегло на пластмасите. Дървесните влакна дори улавят реалистични шарки на шарките за прототипи на мебели.

Как да изберете идеалните материали за 3D печат

С толкова много машини и материали, които вече са налични за всяко приложение и бюджет, правилното съчетаване на технологията за печат с дизайнерските цели и изискванията за материали изисква проучване и отчитане на следните ключови фактори:

• Функционалност на частта - Ще бъде ли подложена на натоварвания или тежки условия на околната среда?
• Необходима е точност на размерите и прецизност на печат
• Механични свойства като твърдост, износоустойчивост или температурни граници
• Цени на материали - Екзотичните филаменти могат да имат премиум цени
• Лесна последваща обработка - Подложките за печат на някои материали са по-лесни за отстраняване
• Моделът и спецификациите на вашия 3D принтер - Възможностите за материали варират.

Сравнение на популярни материали за 3D печат, използващи ключови характеристики

Материал	Имоти	Параметри за печат	Цена
PLA	Средна якост, ниска гъвкавост, умерена издръжливост	180-230°C	Ниско
ABS	Здрав, умерено гъвкав, изключително издръжлив	210-250°C	Среден
ПЕТГ	Здрав и гъвкав, с висока издръжливост	230-260°C	Среден
ТПУ	Средна якост, много висока гъвкавост, умерена издръжливост	220-250°C	Средно-високо
Найлон	Висока якост и гъвкавост, отлична издръжливост	240-260°C	Високо
PEEK	Изключително здрав, минимално гъвкав, много висока издръжливост	360-400°C	Много високо
Смола	Здравината и издръжливостта варират в зависимост от вида, не е гъвкав, UV-втвърдява се	Няма данни	Високо

Натрупването на опит остава от решаващо значение, преди да се предприемат сложни конструкции. Постоянните иновации в материалите също така дават на 3D принтерите все повече възможности всяка година. Справките с количествени данни, като например листове за безопасност или технически листове, помагат на инженерите и дизайнерите при избора и квалифицирането на оптималния материал за всяко приложение.

Последваща обработка на 3D отпечатани обекти

Новопечат, направен директно от плочата за изработка, рядко отговаря на изискванията веднага щом го извадите от кутията. Различните процеси на довършителни работи подобряват здравината, естетиката и функционалността:

• Премахване на поддържащи конструкции– Отстранете подложките или ги разтворете в химически вани.
• Шлайфане и пилене– Изглажда повърхностните преходи между слоевете, видими в разпечатките.
• Грундиране и боядисване– SLA отпечатъците по-специално се нуждаят от изглаждане, запечатване и боядисване, за да се скрият стъпките на печатните слоеве, разкрити след шлайфане.
• Съединяване на части- Залепете компоненти с помощта на разтворители, епоксидни смоли или MABS заваръчни шевове.
• Метални щампи– Изискват цикли на отделяне на свързващото вещество и синтероване, за да се изгорят полимерите и праховете да се слеят в твърди метали.

Бъдещето на материалите за 3D печат

3D печатът продължава да се разширява от нишови цели за бързо прототипиране към производство на крайни части в различни индустрии. С икономии от мащаба, по-ниски разходи за принтери и по-широка гама от материали, бъдещето на изцяло разпределено производство по заявка е възможно. Но истинската устойчивост зависи от преструктурирането на веригите за доставки, за да се запазят ресурсите с напредването на технологиите.

Пробиви в възобновяеми биопластмаси и зелена химия може да сведе до минимум отпадъците и потреблението на енергия по време на синтеза на материали за 3D принтери. Рециклируемостта също се нуждае от повече внимание при формулирането на нови композити или технически полимери. Със съвместни усилия между бизнеса, изследователите и регулаторните органи, 3D печатът би могъл да осигури климатично чист и равен достъп до произведени стоки в световен мащаб.

За вкъщи

С развитието на принтерите и материалите, предлагащи по-голяма прецизност, здравина и функционалност на по-ниски цени, възможностите са безкрайни. С познанията си за основните методи, материали и техники за последваща обработка, разгледани тук, инженерите могат да използват 3D печата, за да създадат изцяло нови продуктови дизайни и бизнеси. Поддържането на отговорни и устойчиви практики с по-нататъшното разпространение на 3D печата ще гарантира, че технологията се изгражда към справедливо и проспериращо бъдеще в световен мащаб.

Прочетете още

• Популярен софтуер за 3D печат и нарязване
• 3D принтерите QIDI получават възторжени отзиви
• Най-добрите уебсайтове за 3D модели на 2023 г. -- Създаване на безкрайни възможности