Komplexný sprievodca po 3D tlačiarenských materiáloch

Technológia 3D tlače v posledných rokoch spôsobila revolúciu vo výrobe a dizajne produktov. 3D tlač, známa aj ako aditívna výroba, vytvára objekty vrstvu po vrstve s použitím materiálov, ako sú plasty, kovy, keramika a kompozity. S rozvojom možností Hardvér a materiály pre 3D tlač sa neustále zdokonaľujú, túto technológiu prijíma stále viac odvetví. Ale vzhľadom na to, že je teraz k dispozícii toľko strojov a materiálov, môže to byť pre nováčikov ohromujúce. Cieľom tejto príručky je poskytnúť komplexný prehľad bežných technológií a materiálov 3D tlače.

Typy technológií 3D tlače a preferované materiály

Existuje niekoľko metód na spájanie materiálov počas procesu vrstvenia v 3D tlači:

• Modelovanie taveného nanášania (FDM) Tlačiarne vytláčajú zahriate termoplastické filamenty cez trysku na konštrukčnú platňu. Bežne sa používajú plasty ABS a PLA.
• Stereolitografia (SLA) tuhne tekutú živicu do vytvrdeného plastu pomocou ultrafialového laserového lúča smerovaného skenovacími zrkadlami. Živice sú formulované pre nízku viskozitu a rýchle vytvrdzovanie.
• Selektívne laserové spekanie (SLS) speká jemné plastové, keramické alebo kovové prášky pomocou vysokovýkonného laseru. Nie sú potrebné žiadne podporné štruktúry a je možné vytvárať zložité vnútorné prvky.
• Dpriamy Metál Laser Sintering (DMLS) je podobná technológia práškového lôžka navrhnutá špeciálne na spracovanie vysokopevnostných kovových zliatin.

Iné metódy, ako je tryskanie materiálu a spojivo, umožňujú tlačiť v plných farbách alebo použiť exotické kovové zliatiny. Možnosti sa neustále rozširujú s pokrokom v 3D tlači a materiáloch.

Plasty v 3D tlači

Materiáloví inžinieri naďalej posúvajú možnosti termoplastov pre FDM tlač. Tu je niekoľko... pokročilé vlákna schopné tlačiť odolné produkty na konečné použitie:

• ASA (akrylonitrilstyrén akrylát)ponúka odolnosť voči UV žiareniu blízku ABS a zároveň odolnosť voči vonkajším poveternostným vplyvom.
• PC (polykarbonát)vyrába super pevné plastové komponenty, ktoré v niektorých prípadoch dokážu nahradiť obrábané kovové diely. Pre dobrú priľnavosť medzi vrstvami sú však nevyhnutné znalosti tlače.
• TPU (termoplastický polyuretán) a flexibilné TPE filamentyumožňujú výtlačky podobné gume s výnimočnou ohybnosťou pre aplikácie ako nositeľná elektronika alebo rukoväte na mieru.
• PEEK (polyéteréterketón)Odoláva agresívnym chemikáliám a sterilizačným postupom, vďaka čomu je vhodný na výrobu zdravotníckych pomôcok a vedeckých nástrojov. Prehnane vysoká cena filamentu PEEK však výrazne obmedzuje jeho využitie mimo priemyselných odvetví.

3D tlač kovov

Až donedávna boli kovy výhradne doménou drahých priemyselných tlačiarní SLS alebo DMLS v leteckom a lekárskom sektore. Bežne sa používa nehrdzavejúca oceľ, titán, nikel a hliníkové zliatiny. Menšie kovové 3D tlačiarne určené pre dielne, univerzity a dizajnérske štúdiá teraz rozširujú svoj prístup vďaka nižším nákladom na hardvér. Väčšina z nich používa na extrúziu kompozitných vlákien obsahujúcich až 70 % kovového prášku depozíciu viazaného kovu.

1. Nerezová oceľ – vysoká pevnosť a odolnosť voči korózii

Potlač nehrdzavejúcej ocele poskytuje výnimočnú rozmerovú stabilitu pre diely, ktoré sú vystavené vonkajšiemu použitiu alebo chemikáliám. Priľnavosť vrstiev viazaného kovového nanášania umožňuje dokonca tlač mostíkov alebo previsov bez podpier.Súčiastky je možné po spekaní obrábať, rezať závity a leštiť, čím sa dosiahnu vlastnosti pripomínajúce tradične vyrábanú nehrdzavejúcu oceľ.

2. Titán – extrémne ľahký a pevný

Letecký priemysel často pracuje s titánovými zliatinami, pretože ich pomer pevnosti k hmotnosti prevyšuje hliník. 3D tlač zložitých titánových dielov v jednom kuse sa vyhnú zvarovým spojom, ktoré oslabujú obrábané titánové konštrukcie. Vysoké ceny titánového prášku zostávajú bariérou mimo odvetví, ako je motoristický šport, ktoré hľadajú ľahké kovové komponenty.

3. Hliník – dostupný alternatívny kov

Hliník sa vďaka svojej nízkej hmotnosti a odolnosti voči korózii teší širokému využitiu. 3D tlač kovov umožňuje konsolidáciu zákazkových hliníkových dielov, ktoré sa v minulosti vyrábali ako zostavy. Z výhod ťažia prototypy nástrojov, robotické komponenty a konštrukčné modely. 3D tlačený hliníkS ďalším poklesom nákladov na tlačiarne môžu malé podniky využiť rýchle hliníkové nástroje bez toho, aby boli závislé od externých dodávateľov.

3D tlač keramiky a exotických materiálov

Technická keramika vyrobená z oxidu hlinitého, zirkónia a karbidu kremíka vyžaduje extrémne vysoké teploty a presné nástroje na efektívne obrábanie. Súčiastky ako keramické obežné kolesá čerpadiel a systémy navádzania rakiet bolo predtým nemožné vyrobiť mimo špeciálnych zlievarní. 3D tlač odstraňuje tieto bariéry pomocou technológií práškového lôžka, ktoré spekajú zložité keramické komponenty.

Navyše, možnosti sa rozširujú nielen za keramiku. S rastúcim výskumom sa skúma použitie kovových a keramických práškov s tryskovým nanášaním spojív, je možné 3D tlačiť aj vzácne a cenné materiály, ako je striebro alebo zlato. Táto technológia môže uľahčiť výrobu prispôsobených lekárskych implantátov alebo elektroniky integráciou vodivých stôp vytlačených zo skutočnej medenej alebo grafénovej pasty. Len začíname skúmať potenciálny rozsah... Keramika vytlačená 3D tlačou, sklo a exotické materiály.

Kompozitné materiály a 3D tlač

Zatiaľ čo plasty, kovy a keramika zostávajú konvenčnými materiálmi používanými vo výrobe, kompozity kombinujúce polyméry s inými výstužami poskytujú vynikajúce mechanické vlastnosti, ktoré nie je možné dosiahnuť konvenčnými metódami.

1. Kompozity z uhlíkových vlákien vytlačené 3D tlačou

FDM tlač s uhlíkové vlákno vypĺňa diely ľahkým a pevným polymérom. Pevné filamenty vyžadujú trysky z kalenej ocele na tlač oderuvzdorných komponentov, ktoré sú pevnejšie ako nylon a blížia sa hliníku. Aplikácie siahajú od rámov kvadrokoptér na mieru až po vysokovýkonné automobilové diely.

2. Kompozity plnené kovom a drevom

Modelovanie tavením tiež ľahko kombinuje štandardné plasty ABS a PLA s kovovými práškami alebo drevnou buničinou, čím sa menia estetické, tepelné a funkčné vlastnosti. Výtlačky s mosadzným, medeným a bronzovým povlakom vizuálne pripomínajú opracovaný kov, pričom si zachovávajú ľahšiu hmotnosť plastov. Drevené výplne dokonca zachytávajú realistické vzory dreva pre prototypy nábytku.

Ako si vybrať ideálne materiály pre 3D tlač

Vzhľadom na to, že v súčasnosti je k dispozícii toľko strojov a materiálov pre každú aplikáciu a rozpočet, správne zladenie tlačovej technológie s dizajnovými cieľmi a požiadavkami na materiál si vyžaduje výskum a zváženie týchto kľúčových faktorov:

• Funkčnosť dielu - Bude vystavený zaťaženiu alebo drsným podmienkam prostredia?
• Je potrebná rozmerová presnosť a presnosť tlače
• Mechanické vlastnosti, ako je tuhosť, odolnosť proti opotrebovaniu alebo teplotné limity
• Náklady na materiál – Exotické filamenty môžu mať prémiové ceny
• Jednoduchosť následného spracovania – Podporné vrstvy tlače z niektorých materiálov sa ľahšie odstraňujú
• Model a špecifikácie vašej 3D tlačiarne – Materiálové možnosti sa líšia.

Porovnanie populárnych materiálov pre 3D tlač s použitím kľúčových charakteristík

Materiál	Nehnuteľnosti	Parametre tlače	Cena
PLA	Stredná pevnosť, nízka flexibilita, stredná odolnosť	180 – 230 °C	Nízka
ABS	Pevný, stredne flexibilný, vysoko odolný	210 – 250 °C	Stredné
PETG	Pevný a flexibilný, vysoká odolnosť	230 – 260 °C	Stredné
TPU	Stredná pevnosť, veľmi vysoká flexibilita, stredná odolnosť	220 – 250 °C	Stredne vysoké
Nylon	Vysoká pevnosť a flexibilita, vynikajúca odolnosť	240 – 260 °C	Vysoká
PEEK	Extrémne pevný, minimálne ohybný, veľmi vysoká odolnosť	360 – 400 °C	Veľmi vysoká
Živica	Pevnosť a odolnosť sa líšia podľa typu, nie sú flexibilné, vytvrdzujú sa UV žiarením	Neuvedené	Vysoká

Získanie skúseností zostáva kľúčové pred začatím zložitých konštrukcií. Neustále inovácie materiálov tiež každoročne poskytujú 3D tlačiarňam viac možností. Odkazovanie na kvantitatívne údaje, ako sú bezpečnostné alebo technické listy, pomáha inžinierom a dizajnérom pri výbere a kvalifikácii optimálneho materiálu pre každú aplikáciu.

Dodatočné spracovanie 3D tlačených objektov

Čerstvá tlač priamo z pracovnej dosky zriedka spĺňa požiadavky hneď po vybalení. Rôzne procesy konečnej úpravy zlepšujú pevnosť, estetiku a funkčnosť:

• Odstránenie podporných konštrukcií– Odtrhnite podkladové materiály alebo ich rozpustite v chemických kúpeľoch.
• Brúsenie a pilovanie– Vyhladzuje povrchové prechody medzi vrstvami viditeľné na výtlačkoch.
• Základný náter a maľovanie– Najmä SLA výtlačky je potrebné vyhladiť, zalepiť a natrieť, aby sa skryli kroky tlačových vrstiev odhalené po brúsení.
• Spájanie dielov- Lepenie komponentov pomocou rozpúšťadiel, epoxidov alebo zvarových švov MABS.
• Kovové potlače– Vyžadujú cykly odstraňovania spojív a spekania na spálenie polymérov a roztavenie práškov do pevných kovov.

Budúcnosť materiálov pre 3D tlač

3D tlač sa naďalej rozširuje od špecifických účelov rýchleho prototypovania k výrobe finálnych dielov naprieč odvetviami. Vďaka úsporám z rozsahu, nižším nákladom na tlačiarne a širšej škále materiálov je budúcnosť plne distribuovanej výroby na požiadanie reálna. Skutočná udržateľnosť však závisí od pretvorenia dodávateľských reťazcov s cieľom šetriť zdroje s pokrokom technológií.

Prielomy v obnoviteľné bioplasty a zelená chémia môže minimalizovať spotrebu odpadu a energie počas syntézy materiálov pre 3D tlačiarne. Recyklovateľnosť si tiež vyžaduje väčšiu pozornosť pri formulovaní nových kompozitov alebo technických polymérov. Vďaka spolupráci medzi podnikmi, výskumníkmi a regulačnými orgánmi by 3D tlač mohla zabezpečiť klimaticky šetrný a spravodlivý prístup k vyrobenému tovaru na celom svete.

Jedlo so sebou

S postupným zdokonaľovaním tlačiarní a materiálov, ktoré ponúkajú väčšiu presnosť, pevnosť a funkčnosť za nižšie náklady, sú možnosti nekonečné. Vďaka znalosti základných metód, materiálov a techník následného spracovania, ktoré sú tu uvedené, môžu inžinieri využiť 3D tlač na vytvorenie úplne nových dizajnov produktov a podnikov. Dodržiavanie zodpovedných a udržateľných postupov pri ďalšom šírení 3D tlače zabezpečí, že táto technológia bude smerovať k spravodlivej a prosperujúcej budúcnosti na celom svete.

Čítať ďalej

• Populárny softvér na 3D tlač a krájanie
• 3D tlačiarne QIDI získavajú nadšené recenzie
• Najlepšie webové stránky s 3D modelmi roku 2023 -- Vytváranie nekonečných možností