Átfogó útmutató a 3D nyomtatási anyagokhoz

3D nyomtatási technológia forradalmasította a gyártást és a terméktervezést az elmúlt években. Az additív gyártásként is ismert 3D nyomtatás rétegről rétegre építi a tárgyakat olyan anyagok felhasználásával, mint a műanyagok, fémek, kerámiák és kompozitok. Ahogy a képességei A 3D nyomtatási hardverek és anyagok folyamatosan fejlődnekegyre több iparág alkalmazza ezt a technológiát. De a ma már elérhető számos gép és anyag miatt ez túlterhelő lehet az újoncok számára. Ez az útmutató átfogó áttekintést nyújt a gyakori 3D nyomtatási technológiákról és anyagokról.

3D nyomtatási technológiák típusai és az előnyben részesített anyagok

A 3D nyomtatás rétegezési folyamata során számos módszer létezik az anyagok összeolvasztására:

• Olvasztott lerakódás modellezése (FDM) A nyomtatók egy fúvókán keresztül hevített hőre lágyuló szálakat préselik az építőlapra. Az ABS és PLA műanyagokat általában használják.
• Sztereolitográfia (SLA) pásztázó tükrök által irányított ultraibolya lézersugár segítségével folyékony gyantát szilárdít kemény műanyaggá. A gyanták alacsony viszkozitásúak és gyors kötési idejűek.
• Szelektív lézeres szinterezés (SLS) finom műanyag-, kerámia- vagy fémporokat szinterez nagy teljesítményű lézerrel. Nincs szükség tartószerkezetekre, és összetett belső elemek is előállíthatók.
• Dközvetlen Més mások Laser Sintering (DMLS) egy hasonló porágyas technológia, amelyet kifejezetten nagy szilárdságú fémötvözetek feldolgozására terveztek.

Más módszerek, mint például az anyagszórás és a kötőanyag-szórás, lehetővé teszik a teljes színskálájú nyomtatást, vagy egzotikus fémötvözetek használatát. A lehetőségek folyamatosan bővülnek a 3D nyomtatási technológiák és anyagok fejlődésével.

Műanyagok a 3D nyomtatásban

Az anyagmérnökök továbbra is fejlesztik a hőre lágyuló műanyagok képességeit az FDM nyomtatáshoz. Íme néhány példa... fejlett szálak tartós végfelhasználási termékek nyomtatására alkalmas:

• ASA (akrilnitril-sztirol-akrilát)Az ABS-hez hasonló UV-állóságot, valamint kültéri időjárásállóságot kínál.
• PC (polikarbonát)szuper erős műanyag alkatrészeket gyárt, amelyek bizonyos esetekben képesek helyettesíteni a megmunkált fém alkatrészeket. A jó rétegközi tapadás érdekében azonban elengedhetetlen a nyomtatási szakértelem.
• TPU (termoplasztikus poliuretán) és rugalmas TPE filamenteklehetővé teszik a gumiszerű nyomatok kivételes hajlíthatóságát olyan alkalmazásokhoz, mint a viselhető eszközök vagy az egyedi markolatok.
• PEEK (poliéter-éter-keton)ellenáll az agresszív vegyszereknek és a sterilizálási eljárásoknak, így alkalmassá teszi orvostechnikai eszközök és tudományos eszközök gyártására. A PEEK filament rendkívül magas ára azonban súlyosan korlátozza az iparon kívüli elterjedését.

Fémek 3D nyomtatása

A fémek egészen a közelmúltig kizárólag a drága SLS vagy DMLS ipari nyomtatók területe voltak a repülőgépiparban és az orvostudományban. Általában rozsdamentes acélt, titánt, nikkelt és alumíniumötvözeteket használnak. A műhelyek, egyetemek és tervezőstúdiók számára tervezett kisebb fém 3D nyomtatók ma már az alacsonyabb hardverköltségeknek köszönhetően bővítik a hozzáférést. A legtöbbjük kötött fémleválasztást alkalmaz akár 70%-os fémportartalmú kompozit filamentek extrudálására.

1. Rozsdamentes acél – Nagy szilárdság és korrózióállóság

Rozsdamentes acél nyomtatás kivételes méretstabilitást biztosít a kültéri használatnak vagy vegyszereknek kitett alkatrészek számára. A kötött fémlerakódás rétegtapadása lehetővé teszi akár hidak vagy túlnyúlások nyomtatását is alátámasztások nélkül.Az alkatrészek szinterezés után megmunkálhatók, menettel vághatók és polírozhatók, így tulajdonságaik hasonlítanak a hagyományosan gyártott rozsdamentes acéléhoz.

2. Titán – Rendkívül könnyű és erős

A repülőgépipar gyakran használ titánötvözeteket, mivel a szilárdság-tömeg arányuk meghaladja az alumíniumét. Komplex titán alkatrészek 3D nyomtatása egy darabban kerüljék a hegesztett kötéseket, amelyek gyengítik a megmunkált titánszerkezeteket. A titánpor magas ára továbbra is akadályt jelent az olyan iparágakon kívül, mint a könnyű fém alkatrészeket kereső motorsport.

3. Alumínium – Egy elérhető alternatív fém

Az alumínium széles körben elterjedt a kis súlyának és korrózióállóságának köszönhetően. A fém 3D nyomtatás lehetővé teszi a korábban összeszerelt alumínium alkatrészek egyedi összeállítását. A szerszámprototípusok, a robotikai alkatrészek és a tervezési modellek mind profitálnak belőle. 3D nyomtatott alumíniumAhogy a nyomtatási költségek tovább csökkennek, a kisvállalkozások kihasználhatják a gyors alumínium szerszámgyártás előnyeit anélkül, hogy külső beszállítókra kellene támaszkodniuk.

Kerámia és egzotikus anyagok 3D nyomtatása

Az alumínium-oxidból, cirkónium-dioxidból és szilícium-karbidból készült műszaki kerámiák hatékony megmunkálásához rendkívül magas hőmérséklet és precíziós szerszámok szükségesek. Az olyan alkatrészek, mint a kerámia szivattyú-járókerekek és a rakétairányító rendszerek, korábban lehetetlen voltak speciális öntödéken kívül előállítani. A 3D nyomtatás kiküszöböli ezeket az akadályokat a porágyas technológiákkal, amelyek komplex kerámia alkatrészeket szintereznek.

Ráadásul a lehetőségek túlmutatnak a kerámiákon. Ahogy egyre több kutatás vizsgálja a fém- és kerámiaporok kötőanyag-szórással történő alkalmazását, még a ritka és értékes anyagok, mint az ezüst vagy az arany is 3D-nyomtatással nyomtathatók. A technológia lehetővé teheti a személyre szabott orvosi implantátumok vagy elektronikai eszközök gyártását, amelyek integrálják a valódi rézből vagy grafénpasztából nyomtatott vezető nyomvonalakat. Még csak most kezdjük felfedezni a lehetséges átnyúló lehetőségeket. 3D nyomtatott kerámiák, üveg és egzotikus anyagok.

Kompozit anyagok és 3D nyomtatás

Míg a műanyagok, fémek és kerámiák továbbra is a gyártásban használt hagyományos anyagok, a polimereket más erősítőanyagokkal kombináló kompozitok olyan kiváló mechanikai tulajdonságokat biztosítanak, amelyek a hagyományos módszerekkel nem érhetők el.

1. 3D nyomtatott szénszálas kompozitok

FDM nyomtatás szénszálas izzószál könnyű és merev polimerrel tölti ki az alkatrészeket. A merev filamentekhez edzett acél fúvókákra van szükség a nejlonnál erősebb és az alumíniumhoz közelítő minőségű kopásálló alkatrészek nyomtatásához. Az alkalmazások az egyedi quadkopter vázaktól a nagy teljesítményű autóalkatrészekig terjednek.

2. Fém- és fakitöltésű kompozitok

A leolvasztott leválasztással készült modellezés könnyedén kombinálja a hagyományos ABS és PLA műanyagokat fémporokkal vagy fapéppel, hogy megváltoztassa az esztétikai, termikus és funkcionális tulajdonságokat. A sárgaréz, réz és bronz bevonatú nyomatok vizuálisan a megmunkált fémre hasonlítanak, miközben megőrzik a műanyagok könnyebb súlyát. A fakitöltésű lament még valósághű erezetmintákat is rögzít a bútorprototípusokhoz.

Hogyan válasszuk ki az ideális 3D nyomtatási anyagokat

Mivel ma már rengeteg gép és anyag áll rendelkezésre minden alkalmazáshoz és költségvetéshez, a nyomtatási technológia megfelelő összehangolása a tervezési célokkal és az anyagkövetelményekkel kutatást és a következő kulcsfontosságú tényezők figyelembevételét igényli:

• Alkatrész funkcionalitása - Terheléseknek vagy zord környezeti feltételeknek lesz kitéve?
• Méretpontosság és nyomtatási pontosság szükséges
• Mechanikai tulajdonságok, mint például merevség, kopásállóság vagy hőmérsékleti határok
• Anyagköltségek - Az egzotikus filamentek prémium árat képviselhetnek
• Könnyű utófeldolgozás – Egyes anyagok nyomtatási támasztékai könnyebben eltávolíthatók
• A 3D nyomtató modellje és specifikációi – Az anyagokhoz való hozzáférés eltérő lehet.

Népszerű 3D nyomtatási anyagok összehasonlítása főbb jellemzők alapján

Anyag	Tulajdonságok	Nyomtatási paraméterek	Költség
PLA	Közepes szilárdság, alacsony rugalmasság, mérsékelt tartósság	180-230°C	Alacsony
ABS	Erős, közepesen rugalmas, nagy tartósságú	210-250°C	Közepes
PETG	Erős és rugalmas, nagy tartósságú	230-260°C	Közepes
TPU	Közepes szilárdságú, nagyon nagy rugalmasságú, mérsékelt tartósságú	220-250°C	Közepesen magas
Nejlon	Nagy szilárdság és rugalmasság, kiváló tartósság	240-260°C	Magas
KANDIKÁL	Rendkívül erős, minimálisan rugalmas, nagyon tartós	360-400°C	Nagyon magas
Gyanta	A szilárdság és a tartósság típusonként változik, nem rugalmas, UV-fényre szárad	Nem alkalmazható	Magas

A tapasztalatszerzés továbbra is kulcsfontosságú, mielőtt komplex konstrukciókba kezdenénk. Az állandó anyagfejlesztések a 3D nyomtatók számára is évről évre több lehetőséget biztosítanak. A mennyiségi adatok, például a biztonsági vagy műszaki adatlapok segítik a mérnököket és a tervezőket az egyes alkalmazásokhoz optimális anyag kiválasztásában és minősítésében.

3D nyomtatott objektumok utófeldolgozása

Egy friss, közvetlenül a nyomtatólapról levett nyomat ritkán elégíti ki az azonnali igényeket. Különböző kidolgozási eljárások javítják a szilárdságot, az esztétikát és a funkcionalitást:

• Tartószerkezetek eltávolítása– Törje le a tartóelemeket, vagy oldja fel őket kémiai fürdőben.
• Csiszolás és reszelés– Kisimítja a nyomatokon látható rétegek közötti felületi léptékeket.
• Alapozás és festés– Különösen az SLA nyomatok simítást, lezárást és festést igényelnek, hogy elrejtsék a csiszolás után láthatóvá váló nyomtatási rétegek lépcsőit.
• Alkatrészek összekapcsolása- Ragassza az alkatrészeket oldószerekkel, epoxigyantákkal vagy MABS hegesztésekkel, hogy a varratok medencések legyenek.
• Fémnyomatok– Kötőanyag-eltávolítási és szinterezési ciklusokat igényelnek a polimerek kiégetéséhez és a porok szilárd fémekké olvasztásához.

A 3D nyomtatási anyagok jövője

A 3D nyomtatás továbbra is terjeszkedik a réspiaci gyors prototípusgyártástól az iparágakban a végső alkatrészgyártás felé. A méretgazdaságosságnak, az alacsonyabb nyomtatási költségeknek és a szélesebb anyagválasztéknak köszönhetően a teljes mértékben elosztott és igény szerinti gyártás jövője reális. A valódi fenntarthatóság azonban az ellátási láncok átalakításától függ az erőforrások megőrzése érdekében, a technológiák fejlődésével párhuzamosan.

Áttörések megújuló bioműanyagok és zöld kémia minimalizálhatja a hulladékot és az energiafelhasználást a 3D nyomtatók anyagszintézise során. Az újrahasznosíthatóságra is nagyobb figyelmet kell fordítani az új kompozitok vagy műszaki polimerek előállítása során. A vállalkozások, a kutatók és a szabályozó hatóságok együttműködésével a 3D nyomtatás klímabarát és méltányos hozzáférést biztosíthat a gyártott termékekhez világszerte.

Az Elvitel

Ahogy a nyomtatók és anyagok fejlődnek, hogy nagyobb pontosságot, szilárdságot és funkcionalitást kínáljanak alacsonyabb költségek mellett, a lehetőségek végtelenek. Az itt tárgyalt alapvető módszerek, anyagok és utófeldolgozási technikák ismeretében a mérnökök a 3D nyomtatást felhasználva teljesen új termékterveket és vállalkozásokat képzelhetnek el. A felelős és fenntartható gyakorlatok fenntartása a 3D nyomtatás további terjedésével biztosítja, hogy a technológia egy méltányos és virágzó jövő felé haladjon világszerte.

Bővebben

• Népszerű 3D nyomtatási szeletelő szoftver
• A QIDI 3D nyomtatók lelkes kritikákat kaptak
• 2023 legjobb 3D modell weboldalai --Végtelen lehetőségek teremtése