Пластик и не только: современные материалы для 3D-печати
Отрасль аддитивных технологий в России развивается достаточно быстро, захватывая всё больше областей применения. Аппараты для трёхмерной печати востребованы во всех отраслях, поскольку их использование ускоряет и удешевляет производство. Столь же стремительно пополняется ассортимент материалов для промышленной 3D-печати.
Отечественные производители предлагают большое количество качественных материалов от смолы до металла, с помощью которых производители и владельцы 3D-принтеров создают уникальные изделия гораздо быстрее, дешевле и проще в сравнении с традиционными способами производства аналогичной продукции.
«Для 3D-печати в промышленном сегменте используют множество материалов. Это широкий спектр пластиков, полиамидов, фото- и гипсополимеров. Также существует печать из стали, песка, ювелирная печать из воска и множество других видов 3D-печати. Самая популярная — это печать пластиком. Видов его очень много, и каждый год появляются новые в большом количестве», — рассказывает специалист по разрабоке 3D-принтеров, владелец мастерской Artel 3D Андрей Исаков.
«3D-принтеры с разными технологиями печати требуют использования разных материалов, от смолы до металлических сплавов. Именно поэтому с каждым годом в России и за рубежом производят всё больше новых расходных материалов для 3D-печати. На данный момент наиболее развитой и распространённой технологией является экструзионная печать (FDM/FFF/FGF). Соответственно, самый популярный материал для 3D-печати — пластик, используемый в принтерах с такой технологией», — поддерживает коллегу сооснователь и генеральный директор ООО «Ф2 инновации» (F2 innovations) Евгений Матвеев.
Пластиковое изобилие
По словам Андрея Исакова, печать любым пластиком не что иное, как его послойное нанесение путём экструзии. По сути, 3D-принтер — это ЧПУ-станок с прикреплённой нагревающей головкой. Благодаря добавкам при нагревании пластики становятся эластичными и податливыми плавлению. От состава добавок зависит цена пластика и качество итоговой модели.
«FDM (fused doposition modeling) — с этой технологии началось развитие 3D-принтеров и различных видов пластика для этой печати. ABS, PLA, PC, PETG и другие — в этой категории существует огромный выбор видов пластика для различных задач и потребностей. Друг от друга они отличаются качеством сырья и имеют разные характеристики. Сегодня в России выпускаются все виды пластиков для FDM-печати», — подчёркивает Андрей Исаков.
«В FDM и FFF (fused filament fabrication) 3D-принтерах печатный материал представляет собой филаментные нити различного диаметра, заправленные в катушки. Каждый конкретный пластик имеет собственные физико-механические свойства, присущие только ему. Сейчас наиболее часто используемым является ABS-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол), обладающий высокой прочностью и стойкостью к температуре», — отмечает глава F2 innovations.
В дополнение к этому Андрей Исаков рассказывает, что напечатанная пластиком ABS-модель получается прочной и надёжной, но, в отличие от полимерной печати, более грубой. Также он рекомендует обрабатывать готовые изделия, выполненные из этого материала, поскольку без этого послойная печать может набрать воды при плюсовых температурах, а при замерзании лопнуть.
«ABS-пластик легко обрабатывается обыкновенным ацетоном, легко поддаётся сглаживанию слоев, имеет химическую стойкость. После обработки ABS-пластик хорошо себя показывает при минусовых температурах, такая модель уже не набирает влагу», — поясняет специалист.
По своим свойствам на ABS похож ASA (акрилонитрилстиролакрилат). Он также устойчив к ультрафиолетовому излучению, маслам, бензину и другим достаточно агрессивным веществам. Легко обрабатывается ацетоном и хорошо окрашивается.
С помощью этого пластика можно изготавливать находящиеся на улице изделия, например внешние детали автомобилей (ручки, корпуса зеркал и т. д.), поскольку он выдерживает температуру от -40 до +90 °С. Андрей Исаков уточняет, что при печати акрилонитрилстиролакрилатом желательно использовать вытяжки, поскольку в процессе печати пластик выделяет вредные для здоровья вещества.
Проверка на прочность
Евгений Матвеев отмечает, что можно исключить этап производства филаментных нитей, используя технологию FGF — прямую печать гранулами, более быструю и дешёвую. По его словам, использование гранулированного пластика расширяет возможности 3D-печати, а сама FGF-технология обладает более высокой производительностью в отличие от филаментной печати, способствует снижению экономических и временных затрат.
По опыту компании F2 innovations, наиболее популярными материалами этого вида печати являются гранулы PETG (полиэтилентерефталат-гликоль), идеально подходящие для изготовления мебели и элементов декора, PA (полиамид), широко применяемый в печати матриц для выкладки композитных материалов и оснастки, а также высокопрочные TPU (термопластичный полиуретан) и PEI (полиэфиримид).
В отличие от них HIPS (полистирол) не обладает большой прочностью, это мягкий, почти декоративный материал. Как поясняет Андрей Исаков, изначально он задумывался для печати поддержек пластика ABS на принтере, имеющем две головки печати (поддержки — временные внутренние опоры для нависающих частей модели). HIPS имеет такую же температуру сплавления, как и ABS. Он не токсичен, долговечен и не боится влаги. Но при этом, как уже было сказано, очень хрупкий: боится перепадов температур и ультрафиолета, не переносит больших нагрузок.
А вот PETG (полиэтилентрефталой), напротив, очень прочный и надёжный пластик, не уступающий по этим характеристикам ABS. К тому же практически не даёт усадки, за счёт чего из него получаются высокоточные модели. Обладает отличным межслойным спеканием, очень эластичен, не боится воды, ультрафиолета, перепадов температур и воздействия химии. Нечувствителен к нагреву, имеет большую ударопрочность. Не токсичен, подходит для изготовления детских игрушек и может применяться в пищевой промышленности. Однако для работы с ним нужны специфические навыки печати, поскольку PETG очень плохо обрабатывается механически и с трудом поддаётся химической обработке.
Пластичный, но крепкий
«PLA (полилактид) — ещё один широко известный материал, состоящий из растительного сырья и безопасный для применения в пищевой промышленности, биоразлагаемый и нетоксичный. Как и ABS, помимо высоких качественных печатных характеристик он отличается относительной дешевизной в сравнении с другими материалами для 3D-печати», — отмечает Евгений Матвеев.
Что касается PLA, то его, как уточняет г-н Исаков, производят из молочной кислоты, добываемой из кукурузы, сахарного тростника и картофеля. Благодаря этому пластик безопасен даже для детей, его часто используют на этапе обучения работе с 3D-принтером. В процессе работы с ним не нужно использовать вытяжки для очистки воздуха.
«Усадка этого пластика при остывании фактически нулевая. Существует широкий спектр цветов на нашем рынке. Очень низкая температура размягчения PLA является как достоинством, так и недостатком: уже при +50 °С он становится мягким. Такой пластик не годится для моделирования деталей на производстве, в автомобилестроении, где он может быть подвержен большим температурам и прямым солнечным лучам. В промышленности его используют в основном для изготовления прототипов форм и печати декоративных изделий. При этом пластик достаточно прочный на излом и разлом, благодаря чему демонстрирует хорошие механические свойства в узлах, не подвергающихся нагреву», — раскрывает тонкости Андрей Исаков.
По его мнению, главный недостаток полилактида заключается в том, что он плохо обрабатывается механически и химически. Для обработки используют растворители дихлорэтан и дихлорметан, которые размягчают или оплавляют PLA, деформируя его и искажая свойства. Кроме того, эти растворители являются ядовитыми.
Нужна спецподготовка
Печать полиамидами Евгений Матвеев выделяет как отдельное направление экструзионной печати. За этим названием скрывается целый спектр пластиков с уникальными характеристиками. Они обладают повышенной износо- и термостойкостью, эластичностью и устойчивостью к большинству органических растворителей.
«Изделия из полиамида применяют в агрессивных средах, где детали подвергаются серьёзным ударным нагрузкам. Например, в автомобильной и оборонной промышленности, для печати подвижных элементов механизмов и функциональном прототипировании. Несмотря на исключительные свойства материала, во время печати полиамидами могут возникать некоторые сложности. Этот вид пластика обладает высокой гигроскопичностью, слои изделия могут отклеиваться от стола в процессе печати. Именно поэтому при печати полиамидом необходимо использовать качественный адгезив, настроить оптимальную температуру стола и камеры, а также обязательно просушить материал перед началом печати», — рекомендует глава F2 innovations.
Один из видов полиамидов, нейлон, является синтетическим и высокопрочным пластиком, но для использования в 3D-печати он очень капризен, и печатать им можно только на специально подготовленном принтере.
«Нейлон для 3D-печати тоже требуется подготовленный — инженерный, со специальными добавками. Но даже он очень быстро набирает влагу, даёт огромную усадку, а первичный слой плохо приклеивается к столу принтера, что создаёт сложности при печати. Поэтому печатать нужно в нагретой, вернее — в постоянно нагреваемой камере на специальном столе. Если этот пластик набирает влагу, печатать им невозможно — модели будут рассыпаться», — делится подробностями Андрей Исаков.
При всех недостатках этот пластик имеет одно неоспоримое достоинство — высокую прочность. Он имеет замечательное межслойное сплавление и выдерживает температуру до 120 °С. Использовать его можно для печати шестерёнок, втулок, различных шнеков и других объектов, подвергающихся большой нагрузке и износу.
Другой вид пластика, требующий специфических навыков печати, — SBS (стиролбутадиенстирол), который производители зачастую маркируют как Watson. Он легко обрабатывается сольвентом, имеет хорошие характеристики на разрыв, морозостоек, прозрачен и эластичен. Цветовая гамма достаточно широкая, поэтому готовое изделие не нуждается в дополнительной покраске.
«SBS имеет низкую усадку, благодаря чему легко рассчитать и соблюсти точность размеров, это очень облегчает печать. Пластик не токсичен, однако имеет очень низкую устойчивость к ультрафиолету — изделия из него быстро выгорают на солнце», — отмечает г-н Исаков.
Популярен в промышленности ещё один вид пластика — PP (полипропилен). Он не боится воды, очень прочный и износостойкий при плюсовых температурах. А вот при минусовых значениях изделия из него лучше не использовать — могут лопнуть. К тому же этот пластик имеет большую степень усадки и, как и нейлон, плохо прилипает к столу принтера, что создаёт сложности в процессе печати.
«Перечисленные выше материалы считаются достаточно распространёнными для 3D-печати в России и за рубежом. Но самую большую популярность среди печатных пластиков сегодня набирают стекло- и угленаполненные пластики, обладающие повышенной теплостойкостью и ударопрочностью. Изделия, выполненные из таких материалов, имеют высокое качество поверхности и легко поддаются постобработке (фрезеровке, токарной обработке и др.).
Большинство пластиков для печати методом послойного наплавления можно приобрести в России.
Многие отечественные компании, занимающиеся поставкой материалов для 3D-печати, осуществляют весь цикл производства на собственных предприятиях на территории страны. Они самостоятельно проводят исследования и подбирают сырьё, испытывают материал и продают его компаниям, специализирующимся на производстве принтеров и занимающимся 3D-печатью в разных городах России», — отмечает Евгений Матвеев.
Металл vs. смола
«Стереолитография — 3D-печать методом отверждения жидких фотополимерных смол. Существует несколько типов фотополимеров: стандартные, применяющиеся в печати различных декоративных моделей и миниатюр, инженерные — более прочные смолы для изготовления изделий, способных выдерживать ударные нагрузки, стоматологические смолы, смолы для ювелиров и другие. Изделия, изготовленные методом стереолитографии, получаются точными и детализированными, имеют более гладкую поверхность относительно изделий, выполненных с использованием других технологий печати», — продолжает классифицировать материалы руководитель F2 innovations.
Андрей Исаков подтверждает: печать смолами отличается высокой точностью и хорошим качеством готового продукта, поэтому применяется для создания как конечных изделий, так и прессформ высокой точности.
Евгений Матвеев уточняет, что по прочности изделия из фотополимеров уступают деталям, сделанным по FDM/FFF-технологии. Существуют некоторые близкие по свойствам
к ABS-пластику смолы, но даже они не сравнятся с характеристиками термопластов.
Стереолитография менее популярна, чем печать методом послойного наплавления, из-за относительной дороговизны фотополимеров и их ограниченного ассортимента на рынке.
Ещё одна распространённая в промышленности технология печати — металлическая. Как уточняет глава F2 innovations, SLM (выборочное лазерное плавление) и DMLS (прямое лазерное спекание) — две наиболее востребованные аддитивные технологии печати металлом. В принтерах, работающих по таким технологиям, используется лазер для спекания или выборочного плавления частиц металлического порошка, который связывает их вместе и превращает в печатные слои.
«В металлической 3D-печати используются алюминиевые и титановые сплавы, нержавеющая и инструментальная сталь, никелевые и кобальт-хромовые суперсплавы. Последние обладают высокой твёрдостью и термостойкостью, что определяет их достаточно высокую стоимость», — поясняет г-н Матвеев.
«Преимуществом такой печати является возможность изготовления деталей сложной геометрии без затрат на создание прессформ. Для такого вида печати они не нужны — сразу получается готовая модель. Причём её можно легко исправить или скорректировать в процессы работы с ней в компьютерной программе. Этот метод печати позволяет создавать мелкосерийную продукцию. Может быть использован в машиностроении, авиа- и космической промышленности и т. д.», — дополняет коллегу Андрей Исаков.
Текучие и сыпучие
Для 3D-печати подходят даже такие материалы, как воск, глина, песок, керамика. Например, изделия, созданные с помощью восковой 3D-печати, широко применяются в литейном производстве, а именно — в литье по выплавляемым моделям.
Воск — экологически безопасный материал, обладающий низкой температурой плавления, благодаря которой восковые мастер-модели быстро и без остатка выплавляются из формы, в которую впоследствии заливается жидкий металл. Но, несмотря на то, что воск хорошо выплавляется и идеально подходит для ЛВМ, многие производители отказываются от печати им и заменяют его полилактидом (PLA). Процесс последующей обработки детали из него более сложен, но при этом проблем при печати возникает в разы меньше.
«Дело в том, что печатать воском достаточно сложно, так как сам по себе он является очень хрупким, излишне тягучим и ломким материалом. В любой момент экструдер может пережать восковую нить, и печать придётся начинать сначала. Именно поэтому, несмотря на зримые преимущества применения воска в литейной промышленности, для печати мастер-моделей всё же лучше выбирать более прочные материалы, такие как PLA и PMMA», — рекомендует Евгений Матвеев.
«Появление этого вида печати сделало создание ювелирных макетов, «восковок», более быстрым, точным и менее ресурсозатратным, поскольку печать воском не требует доработки. Главный плюс этого метода печати — возможность воссоздать машинным способом бесчисленное количество одинаковых сложных по форме «восковок», что невозможно сделать вручную», — подчёркивает Андрей Исаков.
Ещё одна технология, продукты которой применяют в литье, — Binder Jetting, 3D-печать путём послойного нанесения связующего вещества на сыпучий материал.
«Технология литья в песчаные формы похожа на предыдущую: процесс заключается в формировании полости, повторяющей конфигурацию требуемого изделия, куда впоследствии заливается расплавленный металл.
Для создания таких изделий, помимо формовочного песка, необходимо использование ещё одного материала — связующего. Это особые смолы, которые точечно наносятся на песчаную смесь через печатную головку принтера. Активатор, присутствующий в базовой смеси, ускоряет реакцию между песком и связующим компонентом, формируя слои детали», — раскрывает тонкости производственного процесса руководитель F2 innovations.
Как отмечает Андрей Исаков, процесс сильно удешевляет и повышает скорость изготовления формы, которая может быть очень сложной геометрически. Полученные детали обладают высокой точностью, хорошим качеством поверхности и относительно малым весом, а отсутствие швов на модели сокращает процесс её последующей обработки.
Последние виды материалов для 3D-печати, которые важно упомянуть, — гипс и керамика. По свидетельству Евгения Матвеева, керамическая продукция находит применение во многих отраслях промышленности, начиная от медицины и заканчивая аэрокосмической сферой. Изделия из керамики отличаются высокой механической прочностью, твёрдостью и износостойкостью благодаря использованию специализированных расходных материалов: оксида алюминия для печати электроники и циркония, применяющегося в ювелирной и стоматологической промышленностях.
«Материалы на основе кремнезёма для ЛВМ обладают высокой температурной стабильностью, а гидроксиапатит, печать с использованием которого сейчас находится на стадии НИОКР, станет идеальным материалом для замещения костных структур и зубных имплантатов. В отличие от традиционных видов производства печать керамикой позволяет в короткие сроки создавать детали сложной формы, подбирать индивидуальные составы добавок в материалы, что обеспечивает готовым изделиям уникальные свойства», — объясняет глава F2 innovations.
Текст: Мария Кармакова
