Filamenty do drukarek 3D: które wybrać?

Źródło: 3dnatives.com

Jak wybrać filamenty do swojej drukarki 3D? Jakie cechy należy wziąć pod uwagę? Modelowanie przez osadzanie topionego materiału (FDM) to jeden z najpopularniejszych procesów druku 3D na rynku ze względu na łatwość obsługi, przystępność i wydajność. Jest znany przede wszystkim z kompatybilności z różnymi termoplastami, czyli materiałami, które miękną pod wpływem ciepła i powracają do swojego pierwotnego kształtu po ostygnięciu. Aby mogły być wytłaczane przez drukarkę 3D, te termoplasty są przekształcane w filament, który może być prowadzony i topiony przez ekstruder. Obecnie większość tworzyw sztucznych w branży może zostać poddana tej transformacji, co zwiększa zakres dostępnych możliwości.

Zanim przejdziemy do różnych filamentów do drukarek 3D, które istnieją na rynku wytwarzania przyrostowego, ważne jest, aby zrozumieć, jak klasyfikowane są tworzywa sztuczne – to fundamentalny pierwszy krok, który pomoże lepiej zrozumieć dostępne materiały i ich właściwości. Obecnie istnieją tzw. tworzywa amorficzne lub półkrystaliczne: te przymiotniki definiują strukturę międzycząsteczkową polimeru, w zależności od tego, jak reagują one podczas krzepnięcia po stopieniu.

W szczególności łańcuchy tworzyw amorficznych plączą się i pozostają nieuporządkowane podczas fazy krzepnięcia. Odwrotnie, łańcuchy tworzyw półkrystalicznych organizują się i układają względem siebie. Wynikają z tego różne właściwości: materiały amorficzne są na przykład zazwyczaj bardziej przezroczyste i mają mniejszą stabilność wymiarową. Wreszcie, kolejnym ważnym punktem klasyfikującym rodzinę tworzyw sztucznych jest temperatura topnienia: tworzywa standardowe będą miały niższą temperaturę niż tzw. materiały techniczne. Polimery o wysokiej wydajności wymagają z kolei bardziej zaawansowanego zarządzania termicznego, z temperaturami topnienia oscylującymi wokół 300°C (572°F).

Standardowe filamenty do drukarek 3D

PLA

PLA, czyli kwas polimlekowy, to materiał półkrystaliczny pochodzący ze źródeł odnawialnych, zazwyczaj skrobi kukurydzianej. W przeciwieństwie do większości tworzyw sztucznych pochodzących z przemysłu naftowego, PLA jest uważany za bardziej ekologiczny, ponieważ w odpowiednich warunkach jest biodegradowalny. Jest to bardzo łatwy w użyciu filament do drukarek 3D, dlatego jest tak popularny na rynku druku 3D. Kompatybilny z produktami spożywczymi, jego temperatura wytłaczania wynosi zazwyczaj 180°C. Ma dobrą stabilność geometryczną i zazwyczaj nie ulega odkształceniom. Jest głównie używany do prototypowania, obróbki mechanicznej, części dekoracyjnych lub w sektorze medycznym. PLA jest dostępny w wielu kolorach i często używany jako matryca dla materiałów kompozytowych.

Polipropylen

PP to jeden z najczęściej stosowanych materiałów w formowaniu wtryskowym, znany ze swojej lekkości, odporności na czynniki chemiczne i zmęczenie materiału oraz dobrej izolacji elektrycznej. Występuje również w formie filamentu do drukarek 3D, oferuje dobrą odporność na uderzenia, dobrą szczelność gazową i półsztywność. Należy jednak zauważyć, że jest dość trudny w druku, ponieważ nie przylega do płyty roboczej. Ma bardzo precyzyjne punkty topnienia i wymaga doskonałego zarządzania termicznego. Jeśli chodzi o zastosowania, filament PP jest używany do opakowań, klipsów i elementów mocujących, pojemników na płyny itp.

ABS: jeden z najczęściej używanych filamentów do drukarek 3D

Tym razem przechodzimy do struktury amorficznej: ABS to filament znany ze swojej odporności na uderzenia w niskich temperaturach i lekkości. Nie zawsze łatwo jest sklasyfikować ten materiał: czasami znajduje się w technicznej części piramidy i jest trudniejszy w obróbce niż na przykład PLA. W druku 3D jest podatny na odkształcenia, dlatego wymaga użycia podgrzewanego stołu. Jego właściwości czynią go idealnym materiałem do produkcji prototypów funkcjonalnych, często obciążanych części narzędzi lub produkcji form. ABS jest jednym z najtańszych filamentów do drukarek 3D, a zatem jednym z najczęściej używanych.

Filamenty techniczne

Nylon

Nylon, znany również jako poliamid (PA), jest obecny na rynku produkcji przyrostowej głównie w postaci proszku do technologii SLS. Może jednak występować w formie filamentów, dostępny z 6 atomami węgla, czyli PA6. Ten ostatni jest podobny do ABS i również wymaga podgrzewanego stołu, ponieważ nie przylega optymalnie. PA6 jest znany ze swojej odporności na uderzenia i ścieranie, a także ze swojej elastyczności. Ma dość długą trwałość, idealną do produkcji części takich jak zawiasy, komponenty maszyn i narzędzia. Może być wzmacniany włóknami węglowymi lub szklanymi. Należy pamiętać, że nylon to materiał, który chłonie wilgoć, więc ważne jest, aby przechowywać go w suchym miejscu.

PET, bardziej techniczny filament do drukarek 3D

PET to materiał bardzo dobrze znany, ponieważ jest używany do produkcji plastikowych butelek. W druku 3D jest lepiej znany w postaci PETG, czyli z dodatkiem glikolu w celu zmniejszenia jego kruchości. Jest głównie znany ze swojej przezroczystości i kompatybilności z żywnością. Na przykład wiele opakowań i pojemników jest drukowanych przy użyciu PETG. Jest to dobra alternatywa dla PLA lub ABS.

POM

Polioksymetylen, czyli POM, to materiał półkrystaliczny, który staje się coraz bardziej popularny w druku 3D. Charakteryzuje się doskonałymi właściwościami chemicznymi, jest odporny na ciepło, uderzenia i ścieranie. POM może być używany w druku 3D do różnych zastosowań, takich jak produkcja klamer do plecaków, komponentów narażonych na działanie wysokiej temperatury lub kół zębatych. Jest to jednak filament dość trudny w druku, ponieważ wymaga dobrego zarządzania termicznego – stołu, ekstrudera i komory. Należy również zauważyć, że jest niewielu producentów tego typu filamentów do drukarek 3D w porównaniu do materiałów takich jak PLA czy ABS.

Poliwęglan, amorficzny filament do drukarek 3D

Poliwęglan (PC) jest używany głównie ze względu na swoją wytrzymałość i przezroczystość. Nie jest to łatwy w druku termoplast, ponieważ wymaga wyższych temperatur wytłaczania i podgrzewanego stołu. Jest szczególnie popularny w branży optycznej, ponieważ ma mniejszą gęstość niż szkło i wytrzymuje temperatury od -150 do 140°C (od -238°F do 284°F). Zazwyczaj osłony ochronne i części optyczne mogą być drukowane w 3D z poliwęglanu. Ten filament do drukarek 3D staje się coraz bardziej powszechny w gamie produktów oferowanych przez producentów w tej branży.

Termoplasty o wysokiej wydajności

Ta ostatnia kategoria polimerów znana jest z tego, że jest bardziej wymagająca: zawarte w niej termoplasty wymagają wysokich temperatur topnienia i mają cechy zbliżone do niektórych metali. W wytwarzaniu przyrostowym te filamenty wymagają wysokiej temperatury wytłaczania, podgrzewanego stołu i zamkniętej komory. Zarządzanie termiczne jest kluczowe dla tego typu materiału.

Materiały półkrystaliczne

PEEK jest prawdopodobnie najbardziej popularnym spośród filamentów do drukarek 3D w tej kategorii. Należy do rodziny PAEK, wymaga temperatury wytłaczania około 400°C (752°F), stołu zdolnego do osiągnięcia 230°C (446°F) i komory grzewczej o temperaturze 120°C (248°F). PEEK jest znany ze swojego stosunku masy do wytrzymałości i może wytrzymać wysokie temperatury. Może być sterylizowany, co czyni go preferowanym materiałem do drukowania spersonalizowanych implantów. Jest to dość drogi filament do drukarek 3D, który wymaga również pewnej biegłości w procesie druku 3D.

PPS również jest półkrystalicznym materiałem o wysokiej wydajności, znanym ze swojej odporności chemicznej i właściwości mechanicznych. Jest używany głównie w sektorach motoryzacyjnym, naftowo-gazowym i elektronicznym. Jego temperatura wytłaczania oscyluje wokół 300°C (572°F); wymaga również podgrzewanego stołu i zamkniętej komory.

Amorficzne filamenty wysokotemperaturowe

W tej kategorii możemy przede wszystkim wymienić PEI, filament do drukarek 3D obecnie wprowadzany na rynek przez firmę SABIC pod marką ULTEM. Tańszy od PEEK, spełnia normy przeciwpożarowe/dymne, co czyni go idealnym materiałem dla sektora lotniczego. PEI jest również odporny na płyny, węglowodory, alkohole i roztwory wodne w środowisku motoryzacyjnym. Może być sterylizowany i jest kompatybilny z kontaktem z żywnością.

Wreszcie, nie można zapomnieć o rodzinie sulfonów, w szczególności PPSU i PSU. Są to bardzo interesujące termoplasty pod względem właściwości termicznych oraz charakterystyki przeciwpożarowej/dymnej. Mają również dobrą izolację elektryczną i dobre właściwości dielektryczne. Są to materiały popularne w sektorze transportowym, w tym kolejowym, lotniczym i motoryzacyjnym.

Filamenty kompozytowe i elastyczne do drukarek 3D

Na koniec warto wspomnieć o filamentach kompozytowych i materiałach elastycznych. Materiały kompozytowe to materiały utworzone z matrycy (PLA, nylon, poliwęglan itp.) i wzmocnione włóknami, najczęściej węglowymi. Można również użyć włókna szklanego, aramidowego itp. Zwiększa to wytrzymałość filamentu, optymalizując jednocześnie jego wagę.

Wreszcie, elastyczne filamenty do drukarek 3D, takie jak TPU, stanowią część oferty materiałów FDM. Są to materiały znane ze swojej odporności na zużycie i uderzenia. Są szczególnie interesujące w produkcji chwytaków lub wkładek ortopedycznych; są jednak wrażliwe na wysokie temperatury.