Obsežen vodnik za 3D tiskarske materiale

Tehnologija 3D-tiskanja je v zadnjih letih revolucionarno spremenil proizvodnjo in oblikovanje izdelkov. 3D-tiskanje, znano tudi kot aditivna proizvodnja, gradi predmete plast za plastjo z uporabo materialov, kot so plastika, kovine, keramika in kompoziti. Ker se zmogljivosti Strojna oprema in materiali za 3D-tiskanje se še naprej izboljšujejo, vedno več panog uporablja to tehnologijo. Toda s toliko možnostmi strojev in materialov, ki so zdaj na voljo, je to lahko za novince preveč. Namen tega priročnika je zagotoviti celovit pregled običajnih tehnologij in materialov 3D-tiskanja.

Vrste tehnologij 3D-tiskanja in prednostni materiali

Obstaja več metod za spajanje materialov med postopkom nanašanja plasti pri 3D-tiskanju:

• Modeliranje taljenega nanašanja (FDM) Tiskalniki skozi šobo ekstrudirajo segrete termoplastične filamente na gradbeno ploščo. Pogosto se uporabljata plastika ABS in PLA.
• Stereolitografija (SLA) Strdi tekočo smolo v utrjeno plastiko z uporabo ultravijoličnega laserskega žarka, ki ga usmerjajo skenirajoča ogledala. Smole so zasnovane za nizko viskoznost in hiter čas strjevanja.
• Selektivno lasersko sintranje (SLS) sintra fine plastične, keramične ali kovinske prahove skupaj z visokozmogljivim laserjem. Nosilne strukture niso potrebne in izdelati je mogoče kompleksne notranje značilnosti.
• Dneposredno Metalo Laser Szanimivo (DMLS) je podobna tehnologija praškaste plasti, zasnovana posebej za obdelavo visokotrdnostnih kovinskih zlitin.

Druge metode, kot sta brizganje materiala in brizganje veziva, omogočajo tiskanje v polni barvi ali uporabo eksotičnih kovinskih zlitin. Možnosti se še naprej širijo z napredkom tehnologij 3D-tiskanja in materialov.

Plastika v 3D-tiskanju

Inženirji materialov še naprej izpopolnjujejo zmogljivosti termoplastov za FDM tiskanje. Tukaj je nekaj napredni filamenti sposoben tiskati trajne izdelke za končno uporabo:

• ASA (akrilonitril stiren akrilat)ponuja UV odpornost blizu ABS-a, skupaj z odpornostjo na zunanje vremenske vplive.
• PC (polikarbonat)proizvaja izjemno močne plastične komponente, ki lahko v nekaterih primerih nadomestijo strojno obdelane kovinske dele. Vendar pa je za dobro medplastno adhezijo bistveno znanje tiskanja.
• TPU (termoplastični poliuretan) in fleksibilni TPE filamentiomogočajo gumijaste odtise z izjemno upogibljivostjo za aplikacije, kot so nosljivi izdelki ali ročaji po meri.
• PEEK (polieter eter keton)Odporen je na agresivne kemikalije in postopke sterilizacije, zaradi česar je primeren za izdelavo medicinskih pripomočkov in znanstvenih orodij. Vendar pa pretirano visoka cena filamenta PEEK močno omejuje njegovo uporabo zunaj industrije.

3D-tiskanje kovin

Do nedavnega so bile kovine izključno domena dragih industrijskih tiskalnikov SLS ali DMLS v letalskem in medicinskem sektorju. Pogosto se uporabljajo nerjaveče jeklo, titan, nikelj in aluminijeve zlitine. Manjši kovinski 3D-tiskalniki, zasnovani za delavnice, univerze in oblikovalske studie, zdaj širijo dostop zaradi nižjih stroškov strojne opreme. Večina uporablja vezano nanašanje kovin za ekstrudiranje kompozitnih filamentov, ki vsebujejo do 70 % kovinskega prahu.

1. Nerjaveče jeklo – visoka trdnost in odpornost proti koroziji

Tiskanje nerjavečega jekla zagotavlja izjemno dimenzijsko stabilnost za dele, ki so izpostavljeni zunanji uporabi ali kemikalijam. Oprijem plasti vezane kovinske nanositve omogoča celo tiskanje mostov ali previsov brez podpor.Po sintranju je mogoče dele strojno obdelovati, narezovati navoje in polirati za lastnosti, ki spominjajo na tradicionalno izdelano nerjavno jeklo.

2. Titan – izjemno lahek in močan

Letalska in vesoljska industrija pogosto dela s titanovimi zlitinami, saj razmerje med trdnostjo in težo presega aluminij. 3D-tiskanje kompleksnih titanovih delov v enem kosu se izognemo varjenim spojem, ki oslabijo strojno obdelane titanove strukture. Visoke cene titanovega prahu ostajajo ovira zunaj industrij, kot je motošport, ki iščejo lahke kovinske komponente.

3. Aluminij – dostopna alternativna kovina

Aluminij se zaradi nizke teže in odpornosti proti koroziji pogosto uporablja. 3D-tiskanje kovin omogoča konsolidacijo aluminijastih delov po meri, ki so bili v preteklosti izdelani kot sklopi. Prototipi orodij, robotske komponente in modeli imajo koristi od tega. 3D-natisnjen aluminijKer se stroški tiskalnikov še znižujejo, lahko mala podjetja izkoristijo hitro izdelavo aluminijastih orodij, ne da bi bila odvisna od zunanjih dobaviteljev.

3D-tiskanje keramike in eksotičnih materialov

Tehnična keramika iz aluminijevega oksida, cirkonija in silicijevega karbida zahteva izjemno visoke temperature in natančna orodja za učinkovito obdelavo. Deli, kot so keramični rotorji črpalk in sistemi za vodenje raket, prej ni bilo mogoče izdelati zunaj specializiranih livarn. 3D-tiskanje odpravlja te ovire s tehnologijami praškaste plasti, ki sintrajo kompleksne keramične komponente.

Poleg tega se možnosti širijo onkraj same keramike. Ker vse več raziskav raziskuje uporabo kovinskih in keramičnih prahov z brizganjem veziv, je mogoče s 3D-tiskalnikom natisniti celo redke in dragocene materiale, kot sta srebro ali zlato. Tehnologija lahko olajša izdelavo prilagojenih medicinskih vsadkov ali elektronike, ki vključuje prevodne sledi, natisnjene iz dejanske bakrene ali grafenske paste. Šele začenjamo raziskovati potencialne možnosti ... 3D-natisnjena keramika, steklo in eksotični materiali.

Kompozitni materiali in 3D-tiskanje

Medtem ko plastika, kovine in keramika ostajajo konvencionalni materiali, ki se uporabljajo v proizvodnji, kompoziti, ki združujejo polimere z drugimi ojačitvami, zagotavljajo vrhunske mehanske lastnosti, ki jih s konvencionalnimi metodami ni mogoče doseči.

1. Kompoziti iz ogljikovih vlaken, natisnjeni s 3D-tiskalnikom

FDM tiskanje z ogljikovih vlaken zapolni dele z lahkim in togim polimerom. Za trde filamente so potrebne šobe iz kaljenega jekla za tiskanje komponent, odpornih proti obrabi, močnejših od najlona in blizu aluminija. Uporaba segajo od okvirjev kvadrokopterjev po meri do visokozmogljivih avtomobilskih delov.

2. Kompoziti, polnjeni s kovino in lesom

Modeliranje s taljenjem enostavno združuje standardne ABS in PLA plastike s kovinskimi prahovi ali lesno celulozo za spreminjanje estetskih, toplotnih in funkcionalnih lastnosti. Medeninasti, bakreni in bronasti odtisi vizualno spominjajo na obdelano kovino, hkrati pa ohranjajo lažjo težo plastike. Leseni nanosi celo zajamejo realistične vzorce lesa za prototipe pohištva.

Kako izbrati idealne materiale za 3D-tiskanje

Ker je zdaj na voljo toliko strojev in materialov za vsako uporabo in proračun, je za pravilno usklajevanje tehnologije tiskanja z oblikovalskimi cilji in zahtevami po materialih potrebna raziskava in upoštevanje teh ključnih dejavnikov:

• Funkcionalnost dela - Ali bo izpostavljen obremenitvam ali težkim okoljskim pogojem?
• Potrebna je dimenzijska natančnost in natančnost tiska
• Mehanske lastnosti, kot so togost, odpornost proti obrabi ali temperaturne omejitve
• Stroški materiala - Eksotični filamenti imajo lahko višje cene
• Enostavnost naknadne obdelave – Podporne materiale za tisk je pri nekaterih materialih lažje odstraniti
• Model in specifikacije vašega 3D-tiskalnika - Zmogljivosti materialov se razlikujejo.

Primerjava priljubljenih materialov za 3D-tiskanje z uporabo ključnih značilnosti

Material	Nepremičnine	Parametri tiskanja	Stroški
PLA	Srednja trdnost, nizka fleksibilnost, zmerna vzdržljivost	180–230 °C	Nizko
ABS	Močna, zmerno prožna, zelo vzdržljiva	210–250 °C	Srednje
PETG	Močna in fleksibilna, visoka vzdržljivost	230–260 °C	Srednje
TPU	Srednja trdnost, zelo visoka fleksibilnost, zmerna vzdržljivost	220–250 °C	Srednje visoko
Najlon	Visoka trdnost in fleksibilnost, odlična vzdržljivost	240–260 °C	Visoka
PEEK	Izjemno močna, minimalno fleksibilna, zelo visoka vzdržljivost	360–400 °C	Zelo visoka
Smola	Trdnost in vzdržljivost se razlikujeta glede na vrsto, ni fleksibilno, utrjeno z UV-žarki	Ni na voljo	Visoka

Pridobivanje izkušenj ostaja ključnega pomena, preden se lotite kompleksnih gradenj. Nenehne inovacije materialov vsako leto dajejo 3D-tiskalnikom več zmogljivosti. Sklicevanje na kvantitativne podatke, kot so varnostni ali tehnični listi, pomaga inženirjem in oblikovalcem pri izbiri in kvalifikaciji optimalnega materiala za vsako uporabo.

Naknadna obdelava 3D-natisnjenih predmetov

Svež odtis neposredno z gradbene plošče le redko zadovolji zahteve takoj po odprtju škatle. Različni postopki dodelave izboljšajo trdnost, estetiko in funkcionalnost:

• Odstranjevanje podpornih struktur– Odstranite nosilce ali jih raztopite v kemičnih kopelih.
• Brušenje in piljenje– Zgladi površinske prehode med plastmi, vidne na odtisih.
• Temeljni premaz in barvanje– Zlasti SLA odtise je treba zgladiti, zatesniti in pobarvati, da se skrijejo stopnice tiskarskih plasti, ki se razkrijejo po brušenju.
• Spajanje delov- Lepljenje komponent s topili, epoksidnimi smolami ali MABS varilnimi šivi.
• Kovinski odtisi– Zahtevajo cikle odstranjevanja veziv in sintranja, da se polimeri izžgejo in prahovi zlijejo v trdne kovine.

Prihodnost materialov za 3D-tiskanje

3D-tiskanje se še naprej širi od nišnih hitrih izdelav prototipov do proizvodnje končnih delov v različnih panogah. Z ekonomijo obsega, nižjimi stroški tiskalnikov in širšo paleto materialov je prihodnost popolnoma porazdeljene proizvodnje na zahtevo verjetna. Toda resnična trajnost je odvisna od preoblikovanja dobavnih verig za ohranjanje virov z napredkom tehnologij.

Preboji v obnovljiva bioplastika in zelena kemija lahko zmanjša porabo odpadkov in energije med sintezo materialov za 3D-tiskalnike. Pri formuliranju novih kompozitov ali tehničnih polimerov je treba več pozornosti nameniti tudi recikliranju. S skupnimi prizadevanji podjetij, raziskovalcev in regulatorjev bi 3D-tiskanje lahko zagotovilo podnebju prijazen in pravičen dostop do proizvedenega blaga po vsem svetu.

S seboj

Z napredkom tiskalnikov in materialov, ki ponujajo večjo natančnost, trdnost in funkcionalnost po nižjih stroških, so možnosti neskončne. Z znanjem temeljnih metod, materialov in tehnik naknadne obdelave, ki so tukaj obravnavane, lahko inženirji izkoristijo 3D-tiskanje za zasnovo povsem novih izdelkov in podjetij. Ohranjanje odgovornih in trajnostnih praks ob nadaljnjem širjenju 3D-tiskanja bo zagotovilo, da bo tehnologija gradila v smeri pravične in uspešne prihodnosti po vsem svetu.

Preberi več

• Priljubljena programska oprema za 3D-tiskanje in rezanje
• 3D-tiskalniki QIDI prejemajo navdušene ocene
• Najboljša spletna mesta s 3D-modeli leta 2023 -- Ustvarjanje neskončnih možnosti