Kompleksowy przewodnik po materiałach do drukowania 3D

Technologia druku 3D zrewolucjonizowała produkcję i projektowanie produktów w ostatnich latach. Druk 3D, znany również jako produkcja addytywna, pozwala na tworzenie obiektów warstwa po warstwie z materiałów takich jak tworzywa sztuczne, metale, ceramika i kompozyty. W miarę jak możliwości Sprzęt i materiały do ​​druku 3D stale się rozwijająCoraz więcej branż wdraża tę technologię. Jednak przy tak wielu dostępnych maszynach i materiałach, nowicjusze mogą czuć się przytłoczeni. Niniejszy przewodnik ma na celu zapewnienie kompleksowego przeglądu popularnych technologii druku 3D i materiałów.

Rodzaje technologii druku 3D i preferowane materiały

Istnieje kilka metod łączenia materiałów podczas procesu nakładania warstw w druku 3D:

• Modelowanie osadzania topionego materiału (FDM) Drukarki wytłaczają podgrzane termoplastyczne włókna przez dyszę na płytę roboczą. Najczęściej stosuje się tworzywa sztuczne ABS i PLA.
• Stereolitografia (SLA) Zestala ciekłą żywicę w utwardzony plastik za pomocą ultrafioletowej wiązki laserowej kierowanej przez lustra skanujące. Żywice są opracowane z myślą o niskiej lepkości i szybkim czasie utwardzania.
• Selektywne spiekanie laserowe (SLS) spiekanie drobnych proszków z tworzyw sztucznych, ceramiki lub metali za pomocą lasera o dużej mocy. Nie wymaga żadnych struktur podporowych, co pozwala na uzyskanie złożonych elementów wewnętrznych.
• Dbezpośrednio Metal Laser Sintering ((DMLS) jest podobną technologią obróbki proszkowej, zaprojektowaną specjalnie do obróbki stopów metali o wysokiej wytrzymałości.

Inne metody, takie jak drukowanie strumieniowe materiału i drukowanie strumieniowe spoiwa, umożliwiają drukowanie w pełnym kolorze lub z wykorzystaniem nietypowych stopów metali. Możliwości stale rosną wraz z rozwojem technologii druku 3D i materiałów.

Tworzywa sztuczne w druku 3D

Inżynierowie materiałowi nieustannie rozwijają możliwości tworzyw termoplastycznych w druku FDM. Oto kilka zaawansowane filamenty zdolny do drukowania trwałych produktów końcowych:

• ASA (akrylonitryl-styren-akrylan)zapewnia odporność na promieniowanie UV zbliżoną do ABS, a także odporność na warunki atmosferyczne panujące na zewnątrz.
• PC (poliwęglan)produkuje superwytrzymałe elementy z tworzyw sztucznych, które w niektórych przypadkach mogą zastąpić obrabiane maszynowo części metalowe. Jednak wiedza z zakresu drukowania jest niezbędna do zapewnienia dobrej przyczepności międzywarstwowej.
• TPU (termoplastyczny poliuretan) i elastyczne włókna TPEumożliwiają tworzenie nadruków o właściwościach gumopodobnych i wyjątkowej podatności na gięcie, przeznaczonych do zastosowań w urządzeniach noszonych lub uchwytach niestandardowych.
• PEEK (polieteroeteroketon)Wytrzymuje agresywne chemikalia i procedury sterylizacji, dzięki czemu nadaje się do produkcji urządzeń medycznych i narzędzi naukowych. Jednak horrendalnie wysoka cena filamentu PEEK poważnie ogranicza jego zastosowanie poza przemysłem.

Drukowanie 3D metali

Do niedawna metale były domeną wyłącznie drogich drukarek przemysłowych SLS lub DMLS w sektorze lotniczym i medycznym. Powszechnie stosuje się stal nierdzewną, tytan, nikiel i stopy aluminium. Mniejsze drukarki 3D do metalu, przeznaczone dla warsztatów, uniwersytetów i studiów projektowych, są teraz bardziej dostępne dzięki niższym kosztom sprzętu. Większość z nich wykorzystuje metodę osadzania metali wiązanych do wytłaczania filamentów kompozytowych zawierających do 70% proszku metalicznego.

1. Stal nierdzewna – wysoka wytrzymałość i odporność na korozję

Drukowanie stali nierdzewnej Zapewnia wyjątkową stabilność wymiarową części przeznaczonych do użytku na zewnątrz lub narażonych na działanie chemikaliów. Przyczepność warstwowa osadzania metalu związanego pozwala na drukowanie mostków i nawisów bez podpór.Po spiekaniu części można obrabiać mechanicznie, gwintować i polerować, aby uzyskać właściwości zbliżone do tradycyjnie wytwarzanej stali nierdzewnej.

2. Tytan – wyjątkowo lekki i wytrzymały

W przemyśle lotniczym często wykorzystuje się stopy tytanu ze względu na ich lepszy stosunek wytrzymałości do masy niż aluminium. Drukowanie 3D złożonych części tytanowych w jednym kawałku, unikając połączeń spawanych, które osłabiają obrabiane maszynowo konstrukcje tytanowe. Wysokie ceny proszku tytanowego stanowią barierę poza branżami takimi jak sporty motorowe, które poszukują lekkich elementów metalowych.

3. Aluminium – dostępna alternatywa dla metalu

Aluminium cieszy się szerokim zastosowaniem dzięki swojej niskiej wadze i odporności na korozję. Druk 3D metali umożliwia konsolidację niestandardowych części aluminiowych, które w przeszłości budowano jako zespoły. Prototypy narzędzi, komponenty robotyki i modele projektowe – wszystkie te technologie zyskują na popularności. Aluminium drukowane w 3DWraz ze spadkiem kosztów drukarek małe firmy mogą korzystać z szybkich narzędzi aluminiowych, nie polegając na zewnętrznych dostawcach.

Ceramika i materiały egzotyczne Druk 3D

Ceramika techniczna z tlenku glinu, cyrkonu i węglika krzemu wymaga ekstremalnie wysokich temperatur i precyzyjnych narzędzi do wydajnej obróbki. Części takie jak ceramiczne wirniki pomp i systemy naprowadzania pocisków rakietowych były wcześniej niemożliwe do wyprodukowania poza specjalistycznymi odlewniami. Druk 3D eliminuje te bariery dzięki technologii proszkowej polegającej na spiekaniu złożonych elementów ceramicznych.

Co więcej, możliwości wykraczają poza samą ceramikę. Wraz z rozwojem badań nad wykorzystaniem proszków metalowych i ceramicznych z technologią natrysku spoiwa, nawet rzadkie i cenne materiały, takie jak srebro czy złoto, mogą być drukowane w technologii 3D. Technologia ta może umożliwić tworzenie spersonalizowanych implantów medycznych lub układów elektronicznych z integracją ścieżek przewodzących drukowanych z rzeczywistej miedzi lub pasty grafenowej. Dopiero zaczynamy zgłębiać potencjał… Ceramika drukowana w 3D, szkło i materiały egzotyczne.

Materiały kompozytowe i druk 3D

Chociaż tworzywa sztuczne, metale i ceramika pozostają materiałami konwencjonalnymi stosowanymi w produkcji, kompozyty łączące polimery z innymi wzmocnieniami zapewniają lepsze właściwości mechaniczne, nieosiągalne przy użyciu konwencjonalnych metod.

1. Kompozyty z włókna węglowego drukowane w technologii 3D

Drukowanie FDM z włókno węglowe wypełnia części lekkim i sztywnym polimerem. Sztywne włókna wymagają dysz ze stali hartowanej, aby drukować odporne na ścieranie elementy mocniejsze od nylonu i zbliżone do aluminium. Zastosowania obejmują niestandardowe ramy quadrocopterów oraz wysokowydajne części samochodowe.

2. Kompozyty wypełnione metalem i drewnem

Modelowanie metodą osadzania topionego materiału z łatwością łączy standardowe tworzywa ABS i PLA z proszkami metali lub pulpą drzewną, zmieniając właściwości estetyczne, termiczne i funkcjonalne. Wydruki z dodatkiem mosiądzu, miedzi i brązu wizualnie przypominają obrobiony metal, zachowując jednocześnie lekkość tworzyw sztucznych. Wypełnienie drewnem pozwala na odwzorowanie realistycznych wzorów słojów w prototypach mebli.

Jak wybrać idealne materiały do ​​druku 3D

Biorąc pod uwagę tak wiele dostępnych obecnie maszyn i materiałów przeznaczonych do każdego zastosowania i każdego budżetu, właściwe dopasowanie technologii druku do celów projektowych i wymagań materiałowych wymaga przeprowadzenia badań i uwzględnienia następujących kluczowych czynników:

• Funkcjonalność części - czy będzie ona narażona na obciążenia lub trudne warunki środowiskowe?
• Wymagana dokładność wymiarowa i precyzja druku
• Właściwości mechaniczne, takie jak sztywność, odporność na zużycie lub ograniczenia temperaturowe
• Koszty materiałów – Egzotyczne filamenty mogą mieć wyższą cenę
• Łatwość postprodukcji – niektóre materiały podporowe do druku są łatwiejsze do usunięcia
• Model i specyfikacja drukarki 3D — możliwości materiałów mogą się różnić.

Porównanie popularnych materiałów do druku 3D z uwzględnieniem kluczowych cech

Tworzywo	Właściwości	Parametry drukowania	Koszt
PLA	Średnia wytrzymałość, niska elastyczność, umiarkowana trwałość	180-230°C	Niski
ABS	Mocny, średnio elastyczny, bardzo wytrzymały	210-250°C	Średni
PETG	Mocne i elastyczne, wysoka trwałość	230-260°C	Średni
TPU	Średnia wytrzymałość, bardzo duża elastyczność, umiarkowana trwałość	220-250°C	Średnio-wysoki
Nylon	Wysoka wytrzymałość i elastyczność, doskonała trwałość	240-260°C	Wysoki
ZERKAĆ	Niezwykle wytrzymałe, minimalnie elastyczne, bardzo wysoka trwałość	360-400°C	Bardzo wysoki
Żywica	Wytrzymałość i trwałość różnią się w zależności od rodzaju, nie są elastyczne, utwardzane promieniami UV	Nie dotyczy	Wysoki

Zdobycie doświadczenia pozostaje kluczowe przed podjęciem się skomplikowanych projektów. Ciągłe innowacje materiałowe z roku na rok zwiększają możliwości drukarek 3D. Odwołanie się do danych ilościowych, takich jak karty charakterystyki lub karty techniczne, pomaga inżynierom i projektantom w wyborze i kwalifikacji optymalnego materiału do każdego zastosowania.

Postprodukcja obiektów drukowanych w technologii 3D

Świeży wydruk prosto z płyty roboczej rzadko spełnia wymagania od razu po wyjęciu z pudełka. Różne procesy wykończeniowe poprawiają wytrzymałość, estetykę i funkcjonalność:

• Usuwanie konstrukcji wsporczych– Oderwij nośniki lub rozpuść je w kąpielach chemicznych.
• Szlifowanie i piłowanie– Wygładza powierzchniowe nierówności między warstwami widoczne na wydrukach.
• Gruntowanie i malowanie– Wydruki SLA wymagają w szczególności wygładzenia, uszczelnienia i pomalowania, aby ukryć różnice warstw wydruku widoczne po szlifowaniu.
• Łączenie części- Elementy klejone są przy użyciu rozpuszczalników, żywic epoksydowych lub spoin MABS.
• Odbitki na metalu– Wymagają cykli usuwania spoiwa i spiekania w celu wypalenia polimerów i stopienia proszków w stałe metale.

Przyszłość materiałów do druku 3D

Druk 3D stale ewoluuje, od niszowych zastosowań szybkiego prototypowania, w kierunku finalnej produkcji części w różnych branżach. Dzięki korzyściom skali, niższym kosztom drukarek i szerszemu asortymentowi materiałów, przyszłość całkowicie rozproszonej produkcji na żądanie jest realna. Prawdziwy zrównoważony rozwój zależy jednak od przekształcania łańcuchów dostaw w celu oszczędzania zasobów w miarę postępu technologicznego.

Przełomy w odnawialne biotworzywa i zielona chemia może zminimalizować ilość odpadów i zużycie energii podczas syntezy materiałów do drukarek 3D. Możliwość recyklingu wymaga również większego uwzględnienia podczas opracowywania nowych kompozytów lub polimerów technicznych. Dzięki współpracy przedsiębiorstw, naukowców i organów regulacyjnych, druk 3D może zapewnić przyjazny dla klimatu i sprawiedliwy dostęp do dóbr przemysłowych na całym świecie.

Na wynos

Wraz z rozwojem drukarek i materiałów, które oferują większą precyzję, wytrzymałość i funkcjonalność przy niższych kosztach, możliwości są nieograniczone. Dzięki wiedzy na temat podstawowych metod, materiałów i technik postprodukcji, omówionych w tym artykule, inżynierowie mogą wykorzystać druk 3D do tworzenia zupełnie nowych projektów produktów i działalności. Utrzymywanie odpowiedzialnych i zrównoważonych praktyk w miarę upowszechniania się druku 3D zapewni, że technologia ta będzie budować sprawiedliwą i pomyślną przyszłość na całym świecie.

Przeczytaj więcej

• Popularne oprogramowanie do cięcia druku 3D
• Drukarki 3D QIDI zbierają entuzjastyczne recenzje
• Najlepsze witryny z modelami 3D w 2023 roku – tworzenie nieskończonych możliwości