Kattava opas 3D -tulostusmateriaaleihin

3D-tulostustekniikka on mullistanut valmistuksen ja tuotesuunnittelun viime vuosina. 3D-tulostus, joka tunnetaan myös lisäaineena, rakentaa esineitä kerros kerrokselta käyttämällä materiaaleja, kuten muoveja, metalleja, keramiikkaa ja komposiitteja. Koska ominaisuudet 3D-tulostuslaitteet ja -materiaalit kehittyvät jatkuvastiYhä useammat teollisuudenalat ottavat tätä teknologiaa käyttöön. Mutta koska koneita ja materiaalivaihtoehtoja on nyt niin paljon, se voi olla ylivoimaista uusille tulokkaille. Tämä opas pyrkii tarjoamaan kattavan yleiskuvan yleisistä 3D-tulostustekniikoista ja materiaaleista.

3D-tulostustekniikoiden tyypit ja suositeltavat materiaalit

3D-tulostuksessa on useita menetelmiä materiaalien yhdistämiseksi kerrostuksen aikana:

• Sulatetun laskeuman mallinnus (FDM) Tulostimet pursottavat kuumennettuja termoplastisia filamentteja suuttimen läpi tulostusalustalle. Yleisesti käytetään ABS- ja PLA-muoveja.
• Stereolitografia (SLA) jähmettää nestemäisen hartsin kovettuneeksi muoviksi skannaavien peilien ohjaamalla ultraviolettisäteellä. Hartsit on kehitetty alhaisen viskositeetin ja nopean kovettumisen takaamiseksi.
• Selektiivinen lasersintraus (SLS) sintraa hienojakoisia muovi-, keramiikka- tai metallijauheita yhdessä tehokkaan laserin kanssa. Tukirakenteita ei tarvita ja monimutkaisia sisäisiä ominaisuuksia voidaan tuottaa.
• Dsuora Metal Laseri Sintering (DMLS) on samankaltainen jauhepetitekniikka, joka on suunniteltu erityisesti lujien metalliseosten työstöön.

Muilla menetelmillä, kuten materiaalisuihkutuksella ja sideainesuihkutuksella, voidaan tulostaa täysvärisenä tai käyttää eksoottisia metalliseoksia. Mahdollisuudet laajenevat jatkuvasti 3D-tulostustekniikoiden ja materiaalien kehittyessä.

Muovit 3D-tulostuksessa

Materiaalitekniikan insinöörit jatkavat kestomuovien ominaisuuksien kehittämistä FDM-tulostuksessa. Tässä on joitakin edistyneet filamentit kykenevä tulostamaan kestäviä loppukäyttötuotteita:

• ASA (akrylonitriilistyreeniakrylaatti)tarjoaa lähes ABS:n tason UV-kestävyyden sekä ulkosäänkestävyyden.
• PC (polykarbonaatti)valmistaa erittäin vahvoja muovikomponentteja, jotka voivat joissakin tapauksissa korvata koneistettuja metalliosia. Painatusosaaminen on kuitenkin välttämätöntä hyvän kerrosten välisen tartunnan saavuttamiseksi.
• TPU (termoplastinen polyuretaani) ja joustavat TPE-filamentitmahdollistavat kumimaiset tulosteet, joilla on poikkeuksellinen taipuisuus, esimerkiksi puettaviin laitteisiin tai mukautettuihin kahvoihin.
• PEEK (polyeetterieetteriketoni)Kestää aggressiivisia kemikaaleja ja sterilointimenetelmiä, joten se soveltuu lääkinnällisten laitteiden ja tieteellisten työkalujen valmistukseen. PEEK-filamentin kohtuuttoman korkea hinta kuitenkin rajoittaa vakavasti sen käyttöönottoa teollisuuden ulkopuolella.

Metallien 3D-tulostus

Vielä vähän aikaa sitten metallit olivat yksinomaan kalliiden SLS- tai DMLS-teollisuustulostimien aluetta ilmailu- ja lääketieteen aloilla. Yleisesti käytetään ruostumatonta terästä, titaania, nikkeliä ja alumiiniseoksia. Pienemmät metalliset 3D-tulostimet, jotka on suunniteltu työpajoille, yliopistoille ja suunnittelustudioille, laajentavat nyt käyttömahdollisuuksia alhaisempien laitteistokustannusten ansiosta. Useimmat käyttävät sidotun metallin laskeutumista komposiittifilamenttien puristamiseen, jotka sisältävät jopa 70% metallijauheen pitoisuus.

1. Ruostumaton teräs – korkea lujuus ja korroosionkestävyys

Ruostumattoman teräksen painatus takaa poikkeuksellisen mittapysyvyyden osille, jotka joutuvat ulkokäyttöön tai altistuvat kemikaaleille. Sidotun metallin kerrostumisen tarttuvuus mahdollistaa jopa siltojen tai ulkonemien tulostamisen ilman tukia.Osia voidaan koneistaa, kierteittää ja kiillottaa sintrauksen jälkeen, jotta niiden ominaisuudet muistuttavat perinteisesti valmistettua ruostumatonta terästä.

2. Titaani – Erittäin kevyt ja vahva

Ilmailuteollisuus työskentelee usein titaaniseosten kanssa, koska niiden lujuus-painosuhde ylittää alumiinin. 3D-tulostus monimutkaisille titaaniosia Yhdestä kappaleesta valmistetut tuotteet välttävät hitsattuja liitoksia, jotka heikentävät koneistettuja titaanirakenteita. Titaanijauheen korkeat hinnat ovat edelleen este kevyitä metallikomponentteja etsiville teollisuudenaloille, kuten moottoriurheilulle.

3. Alumiini – helppokäyttöinen vaihtoehtoinen metalli

Alumiinia käytetään laajalti sen keveyden ja korroosionkestävyyden ansiosta. Metallien 3D-tulostus mahdollistaa aiemmin kokoonpanoiksi rakennettujen alumiiniosien yhdistämisen. Työkaluprototyypit, robotiikkakomponentit ja suunnittelumallit hyötyvät kaikki tästä. 3D-tulostettu alumiiniTulostuskustannusten laskiessa edelleen pienyritykset voivat hyödyntää nopeita alumiinityökaluja ilman ulkopuolisten toimittajien tarvetta.

Keramiikka ja eksoottiset materiaalit 3D-tulostus

Alumiinioksidista, zirkoniumoksidista ja piikarbidista valmistetut tekniset keramiikat vaativat erittäin korkeita lämpötiloja ja tarkkuustyökaluja tehokkaaseen työstöön. Osia, kuten keraamisia pumppujen juoksupyöriä ja ohjusohjausjärjestelmiä, oli aiemmin mahdotonta valmistaa erikoisvalimoiden ulkopuolella. 3D-tulostus poistaa nämä esteet jauhepetitekniikoilla, joilla sintrataan monimutkaisia keraamisia komponentteja.

Lisäksi mahdollisuudet laajenevat pelkän keramiikan ulkopuolelle. Kun tutkimus selvittää metalli- ja keraamijauheiden käyttöä sideainesuihkutuksessa, jopa harvinaisia ja arvokkaita materiaaleja, kuten hopeaa tai kultaa, voidaan tulostaa 3D-tulostuksella. Teknologia voi helpottaa räätälöityjen lääketieteellisten implanttien tai elektroniikan kehittämistä, jossa yhdistyvät johtavat jäljet, jotka on tulostettu aidosta kuparista tai grafeenipastasta. Olemme vasta alkaneet tutkia potentiaalia, joka ulottuu... 3D-tulostettu keramiikka, lasia ja eksoottisia materiaaleja.

Komposiittimateriaalit ja 3D-tulostus

Vaikka muovit, metallit ja keramiikka ovat edelleen tavanomaisia valmistusmateriaaleja, polymeerien ja muiden lujitteiden yhdistelmät tarjoavat ylivoimaisia mekaanisia ominaisuuksia, joita ei voida saavuttaa perinteisillä menetelmillä.

1. 3D-tulostetut hiilikuitukomposiitit

FDM-tulostus hiilikuitufilamentti täyttää osat kevyellä ja jäykällä polymeerillä. Jäykät filamentit vaativat karkaistuista terässuuttimista kulutusta kestävien komponenttien tulostamiseen, jotka ovat vahvempia kuin nailon ja lähes alumiinia. Sovellukset vaihtelevat räätälöidyistä nelikoptereiden rungoista tehokkaisiin auton osiin.

2. Metalli- ja puutäytteiset komposiitit

Sulatettu laskeumamallinnus yhdistää helposti myös tavallisia ABS- ja PLA-muoveja metallijauheisiin tai puumassaan esteettisten, lämpöä säästävien ja toiminnallisten ominaisuuksien muuttamiseksi. Messinki-, kupari- ja pronssipitoiset tulosteet muistuttavat visuaalisesti koneistettua metallia säilyttäen samalla muovien kevyemmän painon. Puutäytteinen lament-kuviointi tallentaa jopa realistisia syykuvioita huonekaluprototyyppejä varten.

Kuinka valita ihanteelliset 3D-tulostusmateriaalit

Koska nykyään on saatavilla niin paljon koneita ja materiaaleja jokaiseen käyttötarkoitukseen ja budjettiin, tulostusteknologian asianmukainen sovittaminen suunnittelutavoitteisiin ja materiaalivaatimuksiin vaatii tutkimusta ja seuraavien keskeisten tekijöiden huomioon ottamista:

• Osan toiminnallisuus - Kestääkö se kuormituksia tai ankaria ympäristöolosuhteita?
• Mittatarkkuus ja painotarkkuus vaaditaan
• Mekaaniset ominaisuudet, kuten jäykkyys, kulutuskestävyys tai lämpötilarajat
• Materiaalikustannukset - Eksoottisilla filamenteilla voi olla korkeampi hinta
• Jälkikäsittelyn helppous - Joidenkin materiaalien tulostustuet on helpompi poistaa
• 3D-tulostimesi malli ja tekniset tiedot – Materiaaliominaisuudet vaihtelevat.

Suosittujen 3D-tulostusmateriaalien vertailu keskeisten ominaisuuksien perusteella

Materiaali	Ominaisuudet	Tulostusparametrit	Maksaa
PLA	Keskilujuus, alhainen joustavuus, kohtalainen kestävyys	180–230 °C	Matala
ABS-jarrut	Vahva, kohtalaisen joustava, erittäin kestävä	210–250 °C	Keskikokoinen
PETG	Vahva ja joustava, erittäin kestävä	230–260 °C	Keskikokoinen
TPU	Keskilujuus, erittäin suuri joustavuus, kohtalainen kestävyys	220–250 °C	Keskikorkea
Nylon	Suuri lujuus ja joustavuus, erinomainen kestävyys	240–260 °C	Korkea
KURKISTAA	Erittäin vahva, minimaalisesti joustava, erittäin kestävä	360–400 °C	Erittäin korkea
Hartsi	Lujuus ja kestävyys vaihtelevat tyypin mukaan, ei joustava, UV-kovettuva	Ei saatavilla	Korkea

Kokemuksen hankkiminen on edelleen ratkaisevan tärkeää ennen monimutkaisten rakenteiden aloittamista. Jatkuvat materiaali-innovaatiot antavat myös 3D-tulostimille vuosi vuodelta enemmän mahdollisuuksia. Kvantitatiivisten tietojen, kuten käyttöturvallisuustiedotteiden tai teknisten tietojen, käyttäminen auttaa insinöörejä ja suunnittelijoita valitsemaan ja hyväksymään optimaalisen materiaalin kullekin sovellukselle.

3D-tulostettujen objektien jälkikäsittely

Suoraan tulostusalustalta otettu tuore tuloste harvoin täyttää vaatimuksia suoraan pakkauksesta. Erilaiset viimeistelyprosessit parantavat lujuutta, estetiikkaa ja toimivuutta:

• Tukirakenteiden poistaminen– Irrota tuet tai liuota ne kemiallisissa kylvyissä.
• Hionta ja viilaus– Tasoittaa tulosteissa näkyviä pinnallisia askelmia kerrosten välillä.
• Pohjustus ja maalaus– Erityisesti SLA-tulosteet vaativat tasoitusta, tiivistystä ja maalausta hionnan jälkeen esiin tulevien painokerrosten peittämiseksi.
• Osien liittäminen- Liimaa komponentteja liuottimilla, epoksilla tai MABS-hitsauksilla, jolloin saumat jäävät lammikkoihin.
• Metallitulosteet– Vaatii sideaineenpoisto- ja sintraussyklejä polymeerien polttamiseksi ja jauheiden sulattamiseksi kiinteiksi metalleiksi.

3D-tulostusmateriaalien tulevaisuus

3D-tulostus laajenee jatkuvasti kapea-alaisesta nopeasta prototyyppien valmistuksesta kohti lopputuotteiden valmistusta eri toimialoilla. Mittakaavaetujen, alhaisempien tulostinkustannusten ja laajemman materiaalivalikoiman ansiosta täysin hajautettu ja kysyntään perustuva tuotanto on tulevaisuuden mahdollisuus. Mutta todellinen kestävyys riippuu toimitusketjujen muokkaamisesta resurssien säästämiseksi teknologian kehittyessä.

Läpimurtoja uusiutuvat biomuovit ja vihreä kemia voi minimoida jätteen ja energiankulutuksen 3D-tulostimien materiaalisynteesin aikana. Kierrätettävyyteen on myös kiinnitettävä enemmän huomiota uusien komposiittien tai teknisten polymeerien formuloinnissa. Yritysten, tutkijoiden ja sääntelyviranomaisten yhteistyöllä 3D-tulostus voisi tarjota ilmastoystävällisen ja tasapuolisen pääsyn teollisuustuotteisiin maailmanlaajuisesti.

Takeaway

Tulostimien ja materiaalien kehittyessä tarjotakseen suurempaa tarkkuutta, kestävyyttä ja toiminnallisuutta alhaisemmilla kustannuksilla mahdollisuudet ovat rajattomat. Tässä käsiteltyjen perusmenetelmien, materiaalien ja jälkikäsittelytekniikoiden tuntemuksen avulla insinöörit voivat hyödyntää 3D-tulostusta kuvitellakseen täysin uusia tuotemalleja ja liiketoimintaa. Vastuullisten ja kestävien käytäntöjen ylläpitäminen 3D-tulostuksen yleistyessä varmistaa, että teknologia rakentaa kohti oikeudenmukaista ja vaurasta tulevaisuutta maailmanlaajuisesti.

Lue lisää

• Suosittu 3D-tulostus- ja viipalointiohjelmisto
• QIDI 3D-tulostimet saavat ylistäviä arvosteluja
• Vuoden 2023 parhaat 3D-mallisivustot -- Rajattomat mahdollisuudet