Przewodnik po materiałach do druku 3D: tworzywa sztuczne

Źródło: 3dnatives.com

Tworzywa sztuczne należą do materiałów najczęściej wykorzystywanych w druku 3D. Dzięki łatwości produkcji, wszechstronności, wodoodporności oraz niskiemu kosztowi, tworzywa sztuczne są stosowane w wielu produktach i sektorach, a branża Additive Manufacturing nie jest tu wyjątkiem. Przyjrzyjmy się wspólnie szczegółowo charakterystyce i zastosowaniom tych materiałów. Tworzywo sztuczne to materiał wykonany ze związków syntetycznych lub półsyntetycznych, który posiada właściwość bycia podatnym na formowanie (zmianę kształtu). Większość tworzyw sztucznych dostępnych na rynku jest całkowicie syntetyczna, czyli pochodzi z elementów petrochemicznych. Niemniej jednak, w obliczu rosnącej troski o środowisko, tworzywa sztuczne pochodzące z materiałów odnawialnych, takie jak kwas polimlekowy (PLA), również cieszą się popularnością na rynku.

W poniższym przewodniku przyjrzymy się najpopularniejszym tworzywom sztucznym do druku 3D. Jak zapewne wiesz, najpopularniejszy i najbardziej ekonomiczny proces druku 3D, FDM, wytwarza części poprzez wytłaczanie filamentów z tworzyw sztucznych. Jednak precyzja maszyn FDM nie jest taka sama jak w przypadku innych procesów, takich jak SLS lub SLA. Dlatego w przypadku części przemysłowych i produktów końcowych producenci wybierają głównie technologie SLS (wykorzystujące proszki polimerowe) lub SLA (wykorzystujące żywice polimerowe), które oferują większą precyzję i lepszą jakość wykonanych elementów. Inne technologie druku 3D, w których można wykorzystywać tworzywa sztuczne, to Material Jetting oraz Multi Jet Fusion.

Ale jakie tworzywa sztuczne mogą być używane w produkcji addytywnej? W postaci filamentów lub proszku tworzywo musi zostać stopione, aby uformować wydrukowany obiekt warstwa po warstwie. W postaci żywicy, aby uformować obiekt, należy ją utwardzić. Każde tworzywo sztuczne będzie wymagało innych parametrów druku 3D podczas procesu produkcyjnego i nada częściom różne właściwości. Poniżej przedstawiamy przegląd różnych materiałów z tworzyw sztucznych, które można wykorzystać w druku 3D.

ABS: najczęściej stosowany filament wśród tworzyw sztucznych do druku 3D

Filamenty ABS są najczęściej używane w druku 3D. Znajdują zastosowanie w karoseriach samochodów, sprzęcie AGD i obudowach telefonów komórkowych. Jest to termoplast, który zawiera bazę elastomerów na bazie polibutadienu, co czyni go bardziej elastycznym i odpornym na uderzenia. ABS występuje również w proszku w procesach spiekania warstwowego, takich jak SLS, oraz w formie płynnej w technologiach SLA i PolyJet. ABS jest używany w druku 3D w temperaturze od 230 do 260 °C. Jest to materiał wytrzymały, zdolny do łatwego znoszenia temperatur od -20°C do 80°C. Oprócz wysokiej odporności, jest to materiał wielokrotnego użytku i może być spawany procesami chemicznymi. Jednakże ABS nie jest biodegradowalny i kurczy się w kontakcie z powietrzem, więc stół roboczy musi być podgrzewany, aby uniknąć odkształceń. Ponadto zaleca się stosowanie drukarki 3D z zamkniętą komorą, aby ograniczyć emisję cząstek podczas drukowania z ABS. Więcej informacji znajduje się w naszym przewodniku po ABS.

PLA

Znany jako kwas polimlekowy lub PLA, materiał ten ma tę zaletę, że jest biodegradowalny, w przeciwieństwie do ABS. PLA jest wytwarzany przy użyciu odnawialnych surowców, takich jak skrobia kukurydziana. PLA jest jednym z najłatwiejszych materiałów do drukowania, choć ma tendencję do lekkiego kurczenia się po wydruku 3D. W przeciwieństwie do drukowania z ABS, podczas drukowania z PLA nie jest wymagany podgrzewany stół. Ponadto PLA drukuje się w niższej temperaturze niż ABS, pomiędzy 190 a 230 °C. PLA jest materiałem trudniejszym do manipulowania ze względu na wysoką prędkość chłodzenia i krzepnięcia. Należy również wspomnieć, że materiał ten może ulec degradacji w kontakcie z wodą. Mimo to materiał jest prosty w użyciu i dostępny w szerokiej gamie kolorów, co czyni go odpowiednim do druku 3D w technologii FDM. Twórcy często używają PLA do tworzenia obiektów dekoracyjnych lub małych zabawek, ale materiał ten jest również stosowany w przemyśle do prototypowania. Dowiedz się więcej o PLA w naszym dedykowanym przewodniku.

ASA

ASA to materiał o właściwościach zbliżonych do ABS, ale o większej odporności na promieniowanie UV. Podobnie jak w przypadku ABS, zaleca się drukowanie materiału na podgrzewanym stole, aby zapobiec deformacjom. Podczas drukowania z ASA stosuje się ustawienia zbliżone do ABS, ale należy zwrócić szczególną uwagę na drukowanie z zamkniętą komorą ze względu na emisję styrenu. Więcej informacji na temat tego materiału znajduje się w naszym przewodniku po ASA.

PET

Tereftalan polietylenu, czyli PET, jest powszechnie stosowany w jednorazowych butelkach z tworzywa sztucznego. PET jest idealnym filamentem do wszelkich części, które muszą mieć kontakt z żywnością. Ponadto materiał ten jest dość sztywny i wykazuje dobrą odporność chemiczną. Aby uzyskać najlepsze wyniki drukowania z PET, zalecamy drukowanie w temperaturze 75–90°C. PET jest powszechnie sprzedawany jako półprzezroczysty filament z wariantami takimi jak PETG, PETE i PETT. Zalety PET obejmują fakt, że materiał nie wydziela zapachów podczas drukowania i jest w 100% recyklingowalny.

PETG

PETG, czyli poliester modyfikowany glikolem, jest termoplastem szeroko stosowanym na rynku produkcji addytywnej, łączącym w sobie łatwość druku 3D z PLA oraz wytrzymałość ABS. Jest to amorficzne tworzywo sztuczne, które można w 100% poddać recyklingowi. Ma ten sam skład chemiczny co tereftalan polietylenu, bardziej znany pod skrótem PET. Dodatek glikolu zmniejsza jego kruchość. Dowiedz się więcej o PETG w naszym dedykowanym przewodniku.

Poliwęglan (PC)

Poliwęglan (PC) to materiał o wysokiej wytrzymałości, przeznaczony do zastosowań technicznych. Materiał ten wykazuje dobrą odporność na temperaturę i jest w stanie oprzeć się wszelkim odkształceniom do około 150°C. Jednak PC ma tendencję do pochłaniania wilgoci z powietrza, co może negatywnie wpływać na wydajność i wytrzymałość wydruku. Dlatego PC należy przechowywać w szczelnych pojemnikach. PC jest wysoko ceniony przez branżę AM za swoją wytrzymałość i przezroczystość. Ma znacznie niższą gęstość niż szkło, dzięki czemu jest szczególnie interesujący przy projektowaniu części optycznych, ekranów ochronnych lub obiektów dekoracyjnych. Więcej informacji znajdziesz w naszym przewodniku po PC do druku 3D.

Polimery wysokowydajne (PEEK, PEKK, ULTEM)

Ewolucja technologii druku 3D doprowadziła do szeroko zakrojonych prac badawczych nad materiałami do druku, co pozwoliło na opracowanie pełnej gamy wysokowydajnych filamentów o właściwościach mechanicznych podobnych do metali. Istnieje wiele rodzajów wysokowydajnych tworzyw sztucznych do druku 3D, takich jak PEEK, PEKK czy ULTEM – wyróżnia się je według rodziny jako poliaryloeteroketony (PAEK) lub polieteroimidy (PEI). Filamenty te charakteryzują się bardzo wysoką odpornością termiczną i mechaniczną, są bardzo wytrzymałe, a jednocześnie znacznie lżejsze od niektórych metali. Właściwości te sprawiają, że są one bardzo interesujące w sektorze lotniczym, motoryzacyjnym i medycznym.

Ze względu na swoje właściwości, polimery wysokowydajne nie mogą być drukowane na wszystkich maszynach FDM dostępnych na rynku. W rzeczywistości drukarka 3D musi posiadać podgrzewany stół zdolny do osiągnięcia co najmniej 230°C, ekstruzję w 350°C oraz zamkniętą komorę. Obecnie około 65% tych materiałów drukuje się w technologii FDM, ale występują one również w postaci proszku, kompatybilnego z technologią SLS. Dowiedz się więcej w naszym dedykowanym przewodniku po materiałach wysokowydajnych.

Polipropylen (PP)

Polipropylen to kolejny termoplast szeroko stosowany w przemyśle motoryzacyjnym, w profesjonalnym sektorze tekstylnym oraz przy produkcji setek przedmiotów codziennego użytku. PP jest znany ze swojej odporności na ścieranie i zdolności pochłaniania wstrząsów, oprócz swojej relatywnej sztywności i elastyczności. Jednak do wad materiału należą jego niska odporność na temperatury oraz wrażliwość na promieniowanie UV, co może powodować jego ekspansję. Z tego powodu różni producenci opracowali alternatywne typy PP, tzw. polipropyleny, bardziej wytrzymałe zarówno pod względem fizycznym, jak i mechanicznym. Więcej szczegółów w naszym przewodniku po PP do produkcji addytywnej.

Materiały kompozytowe

Materiały kompozytowe są niezwykle przydatne do tworzenia bardzo lekkich, a jednocześnie wytrzymałych części. Włókna dodają wytrzymałości elementowi bez zwiększania jego wagi, dlatego nazywamy kompozyty również materiałami wzmacnianymi włóknami. Istnieją dwa rodzaje wzmocnienia: włókna krótkie lub włókna ciągłe. W pierwszym przypadku pocięte włókna, które składają się z odcinków o długości poniżej milimetra, są mieszane z tradycyjnymi materiałami z tworzyw sztucznych do druku 3D, aby zwiększyć sztywność i, w mniejszym stopniu, wytrzymałość komponentów. Pocięte włókna można mieszać z termoplastami, takimi jak nylon, ABS czy PLA. Alternatywnie, włókna mogą być dodawane do termoplastów w sposób ciągły, aby uzyskać bardziej wytrzymały element. Głównym włóknem stosowanym w branży druku 3D jest włókno węglowe, ale istnieją również inne włókna, takie jak włókno szklane czy Kevlar. Dowiedz się więcej w naszym przewodniku po materiałach kompozytowych.

Materiały hybrydowe

Materiały hybrydowe powstają z mieszanki tworzyw sztucznych i proszków, które nadają im nowy kolor, wykończenie lub dodatkowe właściwości. Często oparte na PLA, materiały te zazwyczaj składają się w 70% z PLA i w 30% z materiałów hybrydowych. Na przykład dostępne są filamenty na bazie drewna, takie jak bambus, korek, pył drzewny i wiele innych. Materiały te na bazie drewna, zmieszane z PLA, nadają filamentowi hybrydowemu bardziej organiczną konsystencję. Niektóre materiały hybrydowe zawierają proszki metalu, aby nadać częściom metaliczne wykończenie.

Materiały rozpuszczalne do druku 3D

Materiały rozpuszczalne to materiały drukowane w celu ich późniejszego rozpuszczenia na kolejnym etapie procesu wytwarzania. Dwa najpopularniejsze materiały rozpuszczalne do filamentów to HIPS (polistyren wysokoudarowy) i PVA (alkohol poliwinylowy). HIPS jest kojarzony z ABS i może być rozpuszczony za pomocą limonenu, podczas gdy PVA jest kojarzony z PLA i może być rozpuszczony zwykłą wodą.

Istnieją również filamenty BVOH, które stają się coraz bardziej popularne, zwłaszcza w drukarkach z podwójnym ekstruderem. Wynika to z faktu, że materiał jest rozpuszczalny w wodzie i według ekspertów wykazuje wyższą rozpuszczalność niż PVA.

Materiały elastyczne

Elastyczne filamenty są podobne do PLA, ale zazwyczaj wykonane są z TPE lub TPU. Zaletą stosowania tych filamentów w druku 3D jest możliwość tworzenia odkształcalnych obiektów, szeroko stosowanych w sektorze mody. Zazwyczaj te elastyczne filamenty mają te same cechy drukowania co PLA, ale są dostępne w szeregu różnych zakresów opartych na ich sztywności. Warto dowiedzieć się, jaki typ ekstrudera jest najbardziej odpowiedni dla każdego materiału, aby uniknąć jego zapchania w momencie przystąpienia do druku 3D.

Nylon

Przedmioty wykonane z poliamidów (nylonu) są zazwyczaj tworzone z drobnego, białego, ziarnistego proszku przy użyciu technologii SLS. Istnieją jednak pewne warianty tego materiału, takie jak nylon, które są również dostępne w formie filamentów stosowanych w modelowaniu przez osadzanie topionego materiału (FDM). Dzięki swojej biokompatybilności poliamidy mogą być wykorzystywane do tworzenia części mających kontakt z żywnością (z wyjątkiem żywności zawierającej alkohol). Zbudowane ze struktur półkrystalicznych, poliamidy charakteryzują się dobrym balansem cech chemicznych i mechanicznych, co zapewnia dobrą stabilność, sztywność, elastyczność i odporność na uderzenia. Dzięki tym zaletom materiał znajduje liczne zastosowania w różnych sektorach i oferuje wysoki poziom szczegółowości. Ze względu na swoją wysoką jakość poliamidy są wykorzystywane w produkcji kół zębatych, części dla przemysłu lotniczego i motoryzacyjnego, robotyce, protezach medycznych oraz formach wtryskowych. Więcej szczegółów znajduje się w naszym przewodniku po nylonie do druku 3D.

Alumide

Przedmioty z alumidu są wytwarzane z połączenia poliamidów i proszku aluminiowego z wykorzystaniem procesu SLS. Materiał posiada szeroką, lekko porowatą powierzchnię oraz ziarnisty wygląd, co zapewnia znaczną wytrzymałość i dobrą odporność na wysokie temperatury (do 172°C). Niemniej jednak konieczne jest wykonanie pewnych zabiegów obróbki końcowej, takich jak szlifowanie, piaskowanie, powlekanie lub frezowanie. Alumid jest stosowany do produkcji złożonych modeli, elementów designerskich lub do produkcji małoseryjnej modeli funkcjonalnych, które wymagają wysokiej sztywności i wyglądu przypominającego aluminium.