Visaptverošs ceļvedis 3D drukas materiāliem

3D drukāšanas tehnoloģija pēdējos gados ir revolucionizējis ražošanu un produktu dizainu. 3D drukāšana, kas pazīstama arī kā aditīvā ražošana, veido objektus slāni pa slānim, izmantojot tādus materiālus kā plastmasa, metāli, keramika un kompozītmateriāli. Attīstoties tā iespējām, 3D drukāšanas aparatūra un materiāli turpina attīstītiesArvien vairāk nozaru ievieš šo tehnoloģiju. Taču, ņemot vērā tik daudz pieejamo iekārtu un materiālu, jaunpienācējiem tas var šķist pārāk sarežģīti. Šī rokasgrāmata sniedz visaptverošu pārskatu par izplatītākajām 3D drukāšanas tehnoloģijām un materiāliem.

3D drukāšanas tehnoloģiju veidi un vēlamie materiāli

3D drukāšanā slāņošanas procesā materiālu sapludināšanai pastāv vairākas metodes:

• Kausētās nogulsnēšanās modelēšana (FDM) Printeri caur sprauslu izspiež sakarsētas termoplastiskās šķiedras uz pamatplates. Visbiežāk izmanto ABS un PLA plastmasas.
• Stereolitogrāfija (SLA) sacietē šķidrus sveķus sacietētā plastmasā, izmantojot ultravioletā lāzera staru, ko virza skenējoši spoguļi. Sveķi ir izstrādāti zemai viskozitātei un ātram sacietēšanas laikam.
• Selektīvā lāzera sintēze (SLS) Saķepina smalkus plastmasas, keramikas vai metāla pulverus kopā ar jaudīgu lāzeru. Nav nepieciešamas atbalsta konstrukcijas, un var izgatavot sarežģītas iekšējās detaļas.
• Dtieši Metal Lasieris Sintering (DMLS) ir līdzīga pulverveida gultnes tehnoloģija, kas īpaši izstrādāta augstas stiprības metālu sakausējumu apstrādei.

Citas metodes, piemēram, materiālu strūklas apstrāde un saistvielu strūklas apstrāde, var drukāt pilnkrāsu režīmā vai izmantot eksotiskus metālu sakausējumus. Iespējas turpina paplašināties, attīstoties 3D drukāšanas tehnoloģijām un materiāliem.

Plastmasas 3D drukāšanā

Materiālu inženieri turpina attīstīt termoplastu iespējas FDM drukāšanai. Šeit ir daži piemēri. uzlaboti pavedieni spēj drukāt izturīgus galapatēriņa produktus:

• ASA (akrilnitrila stirola akrilāts)piedāvā UV izturību, kas ir līdzīga ABS, kā arī izturību pret laikapstākļiem ārpus telpām.
• PC (polikarbonāts)ražo īpaši izturīgas plastmasas detaļas, kas dažos gadījumos spēj aizstāt apstrādātas metāla detaļas. Tomēr drukāšanas zināšanas ir būtiskas labai starpslāņu saķerei.
• TPU (termoplastisks poliuretāns) un elastīgi TPE pavedieninodrošina gumijai līdzīgas izdrukas ar izcilu locāmību tādām lietojumprogrammām kā valkājamas ierīces vai pielāgoti rokturi.
• PEEK (poliētera ētera ketons)Tas iztur agresīvas ķīmiskas vielas un sterilizācijas procedūras, padarot to piemērotu medicīnas ierīču un zinātnisko instrumentu ražošanai. Tomēr PEEK kvēldiega pārmērīgi augstā cena ievērojami ierobežo tā izmantošanu ārpus rūpniecības nozarēm.

Metālu 3D drukāšana

Vēl nesen metāli bija tikai dārgu SLS vai DMLS rūpniecisko printeru joma aviācijas un medicīnas nozarēs. Parasti tiek izmantots nerūsējošais tērauds, titāns, niķelis un alumīnija sakausējumi. Mazāki metāla 3D printeri, kas paredzēti darbnīcām, universitātēm un dizaina studijām, tagad paplašina piekļuvi, pateicoties zemākām aparatūras izmaksām. Lielākā daļa izmanto saistītā metāla uzklāšanu, lai ekstrudētu kompozītmateriāla pavedienus, kas satur līdz pat 70% metāla pulvera.

1. Nerūsējošais tērauds – augsta izturība un izturība pret koroziju

Nerūsējošā tērauda apdruka Nodrošina izcilu izmēru stabilitāti detaļām, kas paredzētas lietošanai ārpus telpām vai ķimikāliju iedarbībai. Saistītā metāla nogulsnējuma slāņu saķere ļauj drukāt pat tiltiņus vai pārkares bez balstiem.Pēc saķepināšanas detaļas var apstrādāt, vītņot un pulēt, lai iegūtu īpašības, kas atgādina tradicionāli ražoto nerūsējošo tēraudu.

2. Titāns – ārkārtīgi viegls un izturīgs

Aviācijas un kosmosa rūpniecība bieži strādā ar titāna sakausējumiem, jo ​​to stiprības un svara attiecība pārsniedz alumīnija sakausējumu. 3D drukāšanas sarežģītas titāna detaļas vienā gabalā izvairīties no metinātiem savienojumiem, kas vājina apstrādātas titāna konstrukcijas. Titāna pulvera augstās cenas joprojām ir šķērslis ārpus tādām nozarēm kā motosports, kas meklē vieglas metāla detaļas.

3. Alumīnijs — pieejama alternatīva metāla

Alumīnijs ir plaši izmantots, pateicoties tā mazajam svaram un izturībai pret koroziju. Metāla 3D drukāšana ļauj apvienot iepriekš izgatavotas alumīnija detaļas kā mezgli. Instrumentu prototipi, robotikas komponenti un dizaina modeļi visi gūst labumu no tā. 3D drukāts alumīnijsTā kā printeru izmaksas turpina samazināties, mazie uzņēmumi var izmantot ātru alumīnija instrumentu ražošanu, nepaļaujoties uz ārējiem piegādātājiem.

Keramikas un eksotisku materiālu 3D drukāšana

Tehniskajai keramikai, kas izgatavota no alumīnija oksīda, cirkonija oksīda un silīcija karbīda, efektīvai apstrādei ir nepieciešama ārkārtīgi augsta temperatūra un precīzi instrumenti. Tādas detaļas kā keramikas sūkņu lāpstiņriteņi un raķešu vadības sistēmas iepriekš nebija iespējams ražot ārpus specializētām lietuvēm. 3D drukāšana novērš šīs barjeras, izmantojot pulverveida gultnes tehnoloģijas, kas saķepina sarežģītas keramikas detaļas.

Turklāt iespējas paplašinās ne tikai keramikas jomā. Tā kā arvien vairāk pētījumu pēta metāla un keramikas pulveru izmantošanu ar saistvielas izsmidzināšanu, pat tādus retus un vērtīgus materiālus kā sudrabu vai zeltu var drukāt 3D drukā. Šī tehnoloģija varētu atvieglot pielāgotu medicīnisko implantu vai elektronikas integrēšanu, integrējot vadošas pēdas, kas drukātas no īsta vara vai grafēna pastas. Mēs tikai sākam izpētīt potenciālo aptverošo... 3D drukāta keramika, stikls un eksotiski materiāli.

Kompozītmateriāli un 3D drukāšana

Lai gan plastmasa, metāli un keramika joprojām ir tradicionālie ražošanā izmantotie materiāli, kompozītmateriāli, kas apvieno polimērus ar citiem pastiprinājumiem, nodrošina augstākas mehāniskās īpašības, ko nevar sasniegt ar parastajām metodēm.

1. 3D drukāti oglekļa šķiedras kompozītmateriāli

FDM druka ar oglekļa šķiedras pavediens aizpilda detaļas ar vieglu un stingru polimēru. Stingrajiem pavedieniem ir nepieciešamas rūdīta tērauda sprauslas, lai drukātu nodilumizturīgus komponentus, kas ir stiprāki par neilonu un tuvojas alumīnijam. Pielietojums ir plašs, sākot no pielāgotiem kvadrokopteru rāmjiem līdz augstas veiktspējas automašīnu detaļām.

2. Metāla un koka pildīti kompozītmateriāli

Ar kausētās uzklāšanas modelēšanu standarta ABS un PLA plastmasas var viegli apvienot ar metāla pulveriem vai koksnes masu, lai mainītu estētiskās, termiskās un funkcionālās īpašības. Misiņa, vara un bronzas piesūcināti apdrukas vizuāli atgādina apstrādātu metālu, vienlaikus saglabājot plastmasas vieglāko svaru. Ar koku pildīts rauds pat atveido reālistiskus šķiedru rakstus mēbeļu prototipiem.

Kā izvēlēties ideālus 3D drukāšanas materiālus

Tā kā tagad ir pieejams tik daudz iekārtu un materiālu ikvienam pielietojumam un budžetam, drukas tehnoloģijas pareiza saskaņošana ar dizaina mērķiem un materiālu prasībām prasa izpēti un šo galveno faktoru ņemšanu vērā:

• Detaļas funkcionalitāte — vai tā tiks pakļauta slodzēm vai skarbiem vides apstākļiem?
• Nepieciešama izmēru precizitāte un drukas precizitāte
• Mehāniskās īpašības, piemēram, stingrība, nodilumizturība vai temperatūras ierobežojumi
• Materiālu izmaksas — eksotiskiem pavedieniem var būt augstākas cenas
• Pēcapstrādes vienkāršība — dažu materiālu drukas balstus ir vieglāk noņemt
• Jūsu 3D printera modelis un specifikācijas — materiālu iespējas atšķiras.

Populāru 3D drukāšanas materiālu salīdzinājums, izmantojot galvenās īpašības

Materiāls	Īpašumi	Drukāšanas parametri	Izmaksas
PLA	Vidēja izturība, zema elastība, vidēja ilgmūžība	180–230 °C	Zems
ABS	Spēcīgs, vidēji elastīgs, ļoti izturīgs	210–250 °C	Vidējs
PETG	Izturīgs un elastīgs, ar augstu izturību	230–260 °C	Vidējs
TPU	Vidēja izturība, ļoti augsta elastība, mērena ilgmūžība	220–250 °C	Vidēji augsts
Neilons	Augsta izturība un elastība, lieliska ilgmūžība	240–260 °C	Augsts
PEEK	Īpaši izturīgs, minimāli elastīgs, ļoti izturīgs	360–400 °C	Ļoti augsts
Sveķi	Izturība un ilgmūžība atšķiras atkarībā no veida, nav elastīgs, sacietē ar UV starojumu	Nav pieejams	Augsts

Pirms sarežģītu konstrukciju izveides joprojām ir svarīgi iegūt pieredzi. Pastāvīgas materiālu inovācijas arī katru gadu sniedz 3D printeriem arvien vairāk iespēju. Kvantitatīvo datu, piemēram, drošības vai tehnisko lapu, izmantošana palīdz inženieriem un dizaineriem izvēlēties un kvalificēt optimālo materiālu katram pielietojumam.

3D drukātu objektu pēcapstrāde

Svaigi izdrukāts materiāls tieši no pamatplates reti kad atbilst prasībām uzreiz pēc izņemšanas no kastes. Dažādi apdares procesi uzlabo izturību, estētiku un funkcionalitāti:

• Atbalsta konstrukciju noņemšana– Nolauzt balstus vai izšķīdināt tos ķīmiskās vannās.
• Slīpēšana un vīlēšana– Izlīdzina virspusējas pakāpeniskas izmaiņas starp slāņiem, kas redzamas izdrukās.
• Gruntēšana un krāsošana– Īpaši SLA izdrukas ir jāizlīdzina, jāaizzīmogo un jāpārkrāso, lai paslēptu pēc slīpēšanas redzamos drukas slāņu pakāpienus.
• Savienojošās detaļas- Līmējiet komponentus, izmantojot šķīdinātājus, epoksīdsveķus vai MABS metināšanas šuves.
• Metāla izdrukas– Nepieciešami atdalīšanas un sintēzes cikli, lai apdedzinātu polimērus un sakausētu pulverus cietos metālos.

3D drukāšanas materiālu nākotne

3D drukāšana turpina paplašināties no nišas ātrās prototipēšanas mērķiem līdz gala detaļu ražošanai dažādās nozarēs. Pateicoties apjomradītiem ietaupījumiem, zemākām printeru izmaksām un plašākam materiālu klāstam, pilnībā izkliedētas un pēc pieprasījuma ražotas produkcijas nākotne ir iespējama. Taču patiesa ilgtspējība ir atkarīga no piegādes ķēžu pārveidošanas, lai taupītu resursus, tehnoloģijām attīstoties.

Izrāvieni atjaunojamā bioplastmasa un zaļā ķīmija var samazināt atkritumu un enerģijas patēriņu 3D printeru materiālu sintēzes laikā. Jaunu kompozītmateriālu vai tehnisko polimēru formulēšanas laikā vairāk uzmanības jāpievērš arī pārstrādājamībai. Ar uzņēmumu, pētnieku un regulatoru sadarbību 3D drukāšana varētu nodrošināt klimatam draudzīgu un vienlīdzīgu piekļuvi ražotajām precēm visā pasaulē.

Līdzņemšanai

Tā kā printeri un materiāli attīstās, lai piedāvātu lielāku precizitāti, izturību un funkcionalitāti par zemākām izmaksām, iespējas ir neierobežotas. Ar zināšanām par šeit aplūkotajām pamatmetodēm, materiāliem un pēcapstrādes metodēm, inženieri var izmantot 3D drukāšanu, lai iztēlotos pilnīgi jaunus produktu dizainus un uzņēmumus. Atbildīgas un ilgtspējīgas prakses saglabāšana, 3D drukāšanai attīstoties, nodrošinās, ka tehnoloģija virzās uz taisnīgu un pārticīgu nākotni visā pasaulē.

Lasīt vairāk

• Populāra 3D drukāšanas griešanas programmatūra
• QIDI 3D printeri saņem sajūsmas pilnas atsauksmes
• Labākās 3D modeļu tīmekļa vietnes 2023. gadā — bezgalīgu iespēju radīšana