Материалы для 3D-принтера: обзор, характеристики и применение

Рынок 3Д-печати активно развивается. Сегодня можно получить объёмную модель практически любой сложности. При этом расширяется и список материалов, из которых можно изваять изделие. Они различаются плотностью, стоимостью, прочностью и другими характеристиками. О материалах для 3D-принтера и пойдёт речь в этой статье.

Как происходит процесс 3Д-печати?

В общем, способов реализовать 3Д-модель существует множество. Однако практически все они сводятся к одному — накладывание материала для 3D-принтера слой за слоем и его последующее затвердевание. Основные способы выглядят таким образом:

• Экструзия. Наиболее часто используемый способ. Раздаточная головка выливает на специальную охлаждающуюся платформу материал, который застывает, связывая и формируя модель. С помощью данного подхода возможно создание деталей разного цвета.
• Фотополимеризация. В основе лежит методика засвечивания особого фотополимера лазером по шаблону, который в итоге превращается в реальную модель.
• Формирование слоя на выровненном слое порошка. Данный способ плавит специальный порошкообразный состав, склеивая его или спекая.
• Подача проволочного материала. С помощью электронного воздействия подаваемый проволочный материал для 3D-принтера плавится, и ему придаётся нужная форма.
• Ламинирование. За основу берётся большое количество слоёв материала, которые накладываются друг на друга. Затем в этой структуре лазер вырезает нужные контуры и пазы.

Применение 3Д-печати

Технология ещё только развивается, с каждым днём становясь все совершеннее. На сегодняшний день ЗД-печать может применяться в следующих задачах:

• Создание образцов или макетов продукции. Например, чтобы оценить сложную деталь до её промышленного изготовления, инженеры могут распечатать прототип на 3Д-принтере и изучить его.
• Мелкосерийное производство различных деталей.
• Печать фрагментов человеческого скелета применяется при протезировании и имплантировании.
• Создание компонентов оружия.
• Строительство.
• Пищевое производство.

Основные материалы для 3D-принтера

Составов для создания моделей известно много, в зависимости от направленности применения детали. Стоит более подробно рассмотреть каждый тип в отдельности.

ABS-пластик

Наверное, самый популярный расходный материал для 3D-принтера. Ещё встречается под именем "акрилонитрилбутадиенстирол", или АБС.

Обладает хорошими механическими свойствами. Часто применяется для создания сложных несущих конструкций.

Его невысокая стоимость и доступность повлияла на его повсеместное использование как в бытовых условиях, так и в промышленных масштабах.

Несмотря на то что АВС-пластик как готовое изделие абсолютно экологически безопасен, при его нагревании в процессе производства возможны выбросы паров акрилонитрила. Правда, ввиду небольшой скорости работы принтера количество вредных веществ довольно мало, и для безопасного производства достаточно будет обеспечить хорошую вентиляцию помещения.

АБС-пластик не следует применять для изготовления посуды, так как он вступает в реакцию с этанолом.

Из технических характеристик АБС-пластика стоит выделить высокую температуру стеклования, которая равна 105 градусам. Пределы прочности на изгиб и разрыв составляют 41 и 21 МПа соответственно. По факту, конечно, многие производители смешивают пластик с различными составами. А это значит, что на практике некоторые свойства будут разными.

Плюсы и минусы АБС-пластика

С помощью данного расходного материала для 3D-принтера можно создавать цветные модели благодаря тому, что пластик обладает богатой гаммой. АБС-пластик абсолютно не боится влаги, различных кислот и масел. Его теплостойкость достигает 115 градусов в зависимости от конкретного производителя.

Ударопрочность и эластичность АБС-пластика для 3D-принтера позволяет создавать надёжные детали и модели. Он также отлично растворяется в ацетоне, что даёт возможность применять постобработку готовой детали его парами для придания гладкости и законченного вида изделию.

Из серьёзных минусов АБС-пластика для 3D-принтера стоит выделить его неспособность выдерживать длительное воздействие обыкновенного солнечного света. А его взаимоотношения с различными элементами, содержащимися в пище и продуктах ограничивают его применение, так как возможно выделение токсичных материалов.

ПЛА-пластик

Данный вид материала для печати на 3D-принтере состоит из полилактида. Он является биоразлагаемым веществом и содержит в себе молочную кислоту. Производится данный материал из кукурузы или сахарного тростника.

Натуральность ПЛА-пластика не ограничивает его применение в любой области.

Плавится ПЛА при температуре свыше 170 градусов. Однако для размягчения достаточно уже и 50. Значения прочности на разрыв и изгиб — 57,8 и 55,3 МПа соответственно. Размер, при котором возможно создание детали, — 0,3 мм, что позволяет придать модели высокую точность исполнения.

У ПЛА-пластика практически отсутствуют серьёзные отрицательные стороны. Разве что повышенная хрупкость и недолговечность. А положительные выглядят следующим образом:

• нетоксичность, возможно применение в пищевых отраслях и производствах;
• обладает широкой цветовой гаммой, что позволяет реализовать самые смелые творческие замыслы;
• отпадает необходимость в применении нагретой платформы при создании модели;
• гладкая поверхность готового изделия;
• высокая детализация и качество печатаемой продукции.

PET-пластик

Данный представитель выделяется из всего обзора материалов для 3D-принтера. Во-первых, из полиэтилентерефталата, или ПЭТ, изготавливаются обыкновенные пластиковые бутылки. Во-вторых, его повсеместная доступность сделала материал одним из самых популярных. Существуют даже специальные перерабатывающие установки для бытового применения и изготовления ПЭТ-нитей.

По прочности и гибкости свойства ПЭТ-пластика схожи с АБС. При этом слои отлично схватываются, обеспечивая модель высокой степенью прочности.

Средняя температура печати такого вида материала составляет около 212-224 градусов.

Нейлон

Отличный материал для печати на 3D-принтере деталей, предназначенных для использования в сложных механизмах. Обладает хорошим коэффициентом скольжения и прочности. Однако его свойства предполагают более высокий технологический уровень оборудования для создания моделей.

Температура плавления от различных производителей может варьироваться от 178 до 218 градусов. Для экструзии же это значение составляет от 235 до 260 градусов.

Применение нейлона схоже с АБС-пластиком — ему нужна подогретая платформа. При этом процесс наложения слоёв проходит более гладко, позволяя создавать детализированные модели.

Плюсы и минусы нейлона

Данный материал обладает высокой износоустойчивостью и эластичностью. Имеет способность противостоять большому количеству различных растворителей. Легко подвергается постобработке механическим способом при доведении модели до конечного результата.

Из недостатков нейлона стоит выделить большую гигроскопичность, то есть способность впитывать влагу. Поэтому перед моделированием рекомендуется материал немного просушить. Это поможет избежать проблем при производстве. При пиролизе могут выделяться токсичные пары.

Бетон

Как бы странно это ни звучало, но такие принтеры уже существуют. Правда, используется особый состав цементной смеси.

С помощью строительного 3D-принтера можно создавать полноценные дома и конструкции. При этом время «создания» стены высотой в 6 метров может занять всего несколько часов.

К сожалению, технология в России ещё находится в состоянии зародыша, зато активно развивается на западе.

Металл

В качестве строительного материала для создания металлических деталей используется специальный порошок.

В данном виде производства используются специальные дорогостоящие промышленные 3D-принтеры. Условно их можно разделить на 3 категории:

1. К первой группе относятся модели, конструктивно схожие с обычными принтерами для пластика. Для них характерно использование мягких металлов — свинец, олово и т. д.
2. Вторые используют металлический порошок со специальным клеящим веществом. После производства модель приходится обжигать для набора полной прочности.
3. Это промышленные 3D-принтеры, порошок в которых обжигается путем воздействия на него лазера.

По сути, только последний является «реальным» средством печати изделий из металла.

Основные сплавы

Среди материалов имеется большой набор сплавов и отдельных элементов. Стоит в них немного разобраться:

• титан - очень прочный материал, активно использующийся в медицине ввиду своей биосовместимости, обладает небольшим весом и хорошей сопротивляемостью к ржавчине;
• нержавеющая сталь - различные сплавы из стали знамениты своей прочностью и доступностью;
• алюминий и производные - лёгкий сплав с небольшой плотностью, отлично поддаётся различным видам обработки.

Плюсы и минусы металлического порошка

Как и свойственно металлам, их порошок после преобразования в форму будет обладать высокой прочностью. При этом детализация объекта доступна на достойном уровне, вплоть до 0,025 мм. Устойчивость к высоким температурам позволяет использовать модели в самых разных отраслях. После того как изделие вышло из строя или по ненадобности его можно переплавить.

Что касается минусов, то есть всего один, но довольно существенный. Технология 3Д-печати металла очень сложна. Поэтому оборудование, как правило, стоит дорого.

К тому же организовать такое производство в бытовых условиях будет затруднительно.

Заключение

В статье было рассмотрено, какие материалы используют 3D-принтеры, их характеристики и свойства, а также области применения. Так как технология относительно новая, то имеет много тонкостей и нюансов. Они разбираются и решаются практически «методом тыка», вплоть до настроек 3D-принтера. Но заинтересованность многих сфер в быстрой и качественной печати готовых изделий есть, а значит, и технология будет развиваться и оттачиваться.