En omfattande guide till 3D -tryckmaterial

3D-utskriftsteknik har revolutionerat tillverkning och produktdesign de senaste åren. Även känt som additiv tillverkning, bygger 3D-utskrift objekt lager för lager med hjälp av material som plast, metaller, keramik och kompositer. I takt med att möjligheterna hos 3D-utskriftshårdvara och material fortsätter att utvecklas, fler branscher anammar denna teknik. Men med så många maskiner och materialalternativ som nu finns tillgängliga kan det bli överväldigande för nykomlingar. Den här guiden syftar till att ge en omfattande översikt över vanliga 3D-utskriftstekniker och material.

Typer av 3D-utskriftstekniker och föredragna material

Det finns flera metoder för att sammanfoga material under skiktningsprocessen i 3D-utskrift:

• Sammansmält depositionsmodellering (FDM) Skrivare extruderar uppvärmda termoplastfilament genom ett munstycke på byggplattan. ABS- och PLA-plaster används ofta.
• Stereolitografi (SLA) stelnar flytande harts till härdad plast med hjälp av en ultraviolett laserstråle riktad av skanningsspeglar. Hartserna är formulerade för låg viskositet och snabba härdningstider.
• Selektiv lasersintring (SLS) sintrar fina plast-, keramik- eller metallpulver tillsammans med en högeffektslaser. Inga stödstrukturer behövs och komplexa interna egenskaper kan produceras.
• Ddirekt Metal Laser Sinteragerande (DMLS) är en liknande pulverbäddsteknik som är specifikt utformad för bearbetning av höghållfasta metalllegeringar.

Andra metoder som materialjetting och bindemedelsjetting kan skriva ut i fullfärg eller använda exotiska metalllegeringar. Möjligheterna fortsätter att utökas i takt med att 3D-utskriftstekniker och material utvecklas.

Plast i 3D-utskrift

Materialingenjörer fortsätter att utveckla termoplasters möjligheter för FDM-tryckning. Här är några avancerade filament kapabel att trycka hållbara slutprodukter:

• ASA (akrylnitrilstyrenakrylat)erbjuder UV-resistens nära ABS tillsammans med väderbeständighet utomhus.
• PC (polykarbonat)producerar superstarka plastkomponenter som i vissa fall kan ersätta maskinbearbetade metalldelar. Kunskap om tryckning är dock avgörande för god vidhäftning mellan lager.
• TPU (termoplastisk polyuretan) och flexibla TPE-filamentmöjliggör gummiliknande utskrifter med exceptionell böjbarhet för applikationer som bärbara enheter eller anpassade grepp.
• PEEK (polyetereterketon)tål aggressiva kemikalier och steriliseringsprocedurer, vilket gör det lämpligt för tillverkning av medicintekniska produkter och vetenskapliga verktyg. Det orimligt höga priset på PEEK-filament begränsar dock kraftigt användningen utanför industrier.

Metaller 3D-utskrift

Fram tills nyligen var metaller enbart domänen för dyra SLS- eller DMLS-industriella skrivare inom flyg- och rymdindustrin och medicinsektorn. Rostfritt stål, titan, nickel och aluminiumlegeringar används ofta. Mindre metall-3D-skrivare designade för verkstäder, universitet och designstudior utökar nu tillgången tack vare lägre hårdvarukostnader. De flesta använder bunden metalldeponering för att extrudera kompositfilament som innehåller upp till 70 % metallpulverinnehåll.

1. Rostfritt stål – Hög hållfasthet och korrosionsbeständighet

Tryck av rostfritt stål ger exceptionell dimensionsstabilitet för delar som används utomhus eller utsätts för kemikalier. Skiktvidhäftningen av bunden metalldeponering möjliggör även tryckning av broar eller överhäng utan stöd.Delar kan bearbetas, gängas och poleras efter sintring för egenskaper som liknar traditionellt tillverkat rostfritt stål.

2. Titan – Extremt lätt och starkt

Flygindustrin arbetar ofta med titanlegeringar på grund av att hållfasthets-viktförhållandet överstiger aluminium. 3D-utskrift av komplexa titandelar i ett stycke undvik de svetsade fogarna som försvagar maskinbearbetade titanstrukturer. De höga priserna på titanpulver är fortfarande ett hinder utanför industrier som motorsport som söker lättviktsmetallkomponenter.

3. Aluminium – En tillgänglig alternativ metall

Aluminium används flitigt tack vare sin låga vikt och korrosionsbeständighet. 3D-utskrift av metall gör det möjligt att konsolidera anpassade aluminiumdelar som tidigare byggts som sammansättningar. Prototyper för verktyg, robotkomponenter och designmodeller drar alla nytta av 3D-printad aluminiumI takt med att skrivarkostnaderna sjunker ytterligare kan småföretag utnyttja snabba aluminiumverktyg utan att vara beroende av externa leverantörer.

Keramik och exotiska material 3D-utskrift

Teknisk keramik tillverkad av aluminiumoxid, zirkoniumoxid och kiselkarbid kräver extremt höga temperaturer och precisionsverktyg för att bearbetas effektivt. Delar som keramiska pumphjul och missilstyrningssystem var tidigare omöjliga att tillverka utanför specialgjuterier. 3D-utskrift eliminerar dessa barriärer med pulverbäddsteknik som sintrar komplexa keramiska komponenter.

Dessutom utvidgas möjligheterna bortom bara keramik. I takt med att mer forskning undersöker användningen av metall- och keramiska pulver med bindemedelssprutning, kan även sällsynta och värdefulla material som silver eller guld 3D-printas. Tekniken kan underlätta anpassade medicinska implantat eller elektronik som integrerar ledande spår utskrivna från faktisk koppar- eller grafenpasta. Vi har bara börjat utforska den potentiella spännvidden. 3D-printad keramik, glas och exotiska material.

Kompositmaterial och 3D-utskrift

Medan plast, metaller och keramik fortfarande är de konventionella material som används vid tillverkning, ger kompositer som kombinerar polymerer med andra förstärkningar överlägsna mekaniska egenskaper som inte kan uppnås med konventionella metoder.

1. 3D-printade kolfiberkompositer

FDM-utskrift med kolfiberfilament fyller delar med en lätt och styv polymer. De styva filamenten kräver munstycken av härdat stål för att skriva ut nötningsbeständiga komponenter som är starkare än nylon och nästan aluminium. Tillämpningarna sträcker sig från specialanpassade quadcopterramar till högpresterande bildelar.

2. Metall- och träfyllda kompositer

Smältdepositionsmodellering kombinerar också enkelt standard ABS- och PLA-plaster med metallpulver eller trämassa för att förändra estetiska, termiska och funktionella egenskaper. Mässings-, koppar- och bronsinfunderade tryck liknar maskinbearbetad metall visuellt samtidigt som de bibehåller plastens lättare vikt. Träfylld lame fångar till och med realistiska ådringsmönster för möbelprototyper.

Hur du väljer dina ideala 3D-utskriftsmaterial

Med så många maskiner och material som nu finns tillgängliga för alla tillämpningar och budgetar krävs det research och övervägande av dessa viktiga faktorer för att korrekt matcha trycktekniken med designmål och materialkrav:

• Delens funktionalitet - Kommer den att utsättas för belastningar eller tuffa miljöförhållanden?
• Måttlig noggrannhet och tryckprecision krävs
• Mekaniska egenskaper som styvhet, slitstyrka eller temperaturgränser
• Materialkostnader – Exotiska filament kan ha premiumpriser
• Enkel efterbehandling – Vissa materials tryckstöd är lättare att ta bort
• Din 3D-skrivarmodell och specifikationer – Materialens kapacitet varierar.

En jämförelse av populära 3D-utskriftsmaterial med hjälp av viktiga egenskaper

Material	Fastigheter	Utskriftsparametrar	Kosta
PLA	Medelhög styrka, låg flexibilitet, måttlig hållbarhet	180–230°C	Låg
ABS	Stark, måttligt flexibel, mycket hållbar	210–250 °C	Medium
PETG	Stark och flexibel, hög hållbarhet	230–260°C	Medium
TPU	Medelhög styrka, mycket hög flexibilitet, måttlig hållbarhet	220–250 °C	Medelhög
Nylon	Hög styrka och flexibilitet, utmärkt hållbarhet	240–260 °C	Hög
TITT	Extremt stark, minimalt flexibel, mycket hög hållbarhet	360–400°C	Mycket hög
Harts	Styrka och hållbarhet varierar beroende på typ, inte flexibel, UV-härdad	Ej tillämpligt	Hög

Att skaffa sig erfarenhet är fortfarande avgörande innan man försöker sig på komplexa byggen. Ständiga materialinnovationer ger också 3D-skrivare fler möjligheter varje år. Att hänvisa till kvantitativa data som säkerhets- eller tekniska datablad hjälper ingenjörer och konstruktörer när de väljer och kvalificerar det optimala materialet för varje applikation.

Efterbehandling av 3D-utskrivna objekt

Ett nytt tryck direkt från byggplattan uppfyller sällan kraven direkt ur förpackningen. Olika efterbehandlingsprocesser förbättrar styrka, estetik och funktionalitet:

• Ta bort stödstrukturer– Bryt loss stöden eller lös upp dem i kemiska bad.
• Slipning och filning– Jämnar ut ytliga steg mellan lager som syns i utskrifter.
• Grundmålning och målning– SLA-utskrifter i synnerhet behöver jämnas ut, förseglas och målas för att dölja trycklagrets steg som syns efter slipning.
• Sammanfogning av delar- Limma komponenter med lösningsmedel, epoxi eller MABS-svetsar och skarvar.
• Metalltryck– Kräver avbindnings- och sintringscykler för att bränna bort polymerer och smälta pulvren till fasta metaller.

Framtiden för 3D-utskriftsmaterial

3D-utskrift fortsätter att expandera från nischändamål inom snabb prototyptillverkning till tillverkning av färdiga delar inom olika branscher. Med stordriftsfördelar, lägre skrivarkostnader och ett bredare utbud av material är en framtid med helt distribuerad och on-demand-produktion rimlig. Men sann hållbarhet beror på att omforma leveranskedjor för att spara resurser i takt med att tekniken utvecklas.

Genombrott i förnybara bioplaster och grön kemi kan minimera avfall och energianvändning under materialsyntes för 3D-skrivare. Återvinningsbarhet behöver också beaktas mer vid formulering av nya kompositer eller tekniska polymerer. Med samarbete mellan företag, forskare och tillsynsmyndigheter skulle 3D-utskrift kunna ge klimatvänlig och rättvis tillgång till tillverkade varor globalt.

Avhämtningsstället

I takt med att skrivare och material utvecklas för att erbjuda större precision, styrka och funktionalitet till lägre kostnader är möjligheterna oändliga. Med kunskap om de grundläggande metoder, material och efterbehandlingstekniker som tas upp här kan ingenjörer utnyttja 3D-utskrift för att skapa helt nya produktdesigner och företag. Att upprätthålla ansvarsfulla och hållbara metoder i takt med att 3D-utskrift sprids ytterligare kommer att säkerställa att tekniken bygger mot en rättvis och välmående framtid över hela världen.

Läs mer

• Populär programvara för 3D-utskrift och skivning
• QIDI 3D-skrivare får lysande recensioner
• Bästa 3D-modellwebbplatserna 2023 --Skapar oändliga möjligheter