Пластик для 3D-печати

Пластик для 3D-печати используют в самых различных сферах:

— Медицина. Выпуск зубных коронок, протезов для части скелета, черепа или конечностей. Создание модели «проблемной зоны» человеческого организма на основе МРТ и затем напечатанной на 3D-принтере дает возможность хирургам выработать максимально верную стратегию для борьбы с недугом.

— Машиностроение. Изготовление прокладок, шестерен и других мелких элементов.

— Электроника. Производство необходимых деталей, корпусов оборудования.

— Проектирование. Создание макетов отдельных зданий и целых микрорайонов.

— Обувная промышленность. Изготовление моделей для высокой моды.

— Образование. Печать наглядных пособий, необходимых для обучения в детских садах, школах, университетах.

— Реклама. Дизайн интересных упаковок и создание элементов наружной и внутренней рекламы.

— Сувенирная продукция. Выпуск предметов искусства, эксклюзивной продукции, мелкосерийных изделий.

— Ювелирное дело. Создание прототипов украшений на 3D-принтере.

— Геоинформационные системы. Разработка ландшафтных трехмерных карт.

Виды пластика для 3D-печати

Каждый материал — полилактид, акрилонитрил бутадиен стирол, поликарбонат, полиэтилен высокой плотности, полиметилметакрилат, ударопрочный полистирол — обладает уникальными свойствами. Чтобы выбрать тот или иной тип пластика, необходимо знать, какое изделие будет изготавливаться. Исходя из поставленных задач и характеристик материла, отдавать предпочтение тому пластику, который максимально отвечает требованиям. Остановимся подробно на основных типах материалов, предназначенных для трехмерной печати.

Полилактид (PLA, ПЛА)

Этот вид термопластиков завоевал популярность благодаря ряду факторов:

• Отличается экологичностью. ПЛА — биоразлагаемый материал. Он создан из растений — кукурузы и сахарного тростника.

• Экономичен, так как имеет низкую температуру плавления — 170-180°C. За счет этого свойства тратится меньше электроэнергии и становится возможным применение бюджетных латунных и алюминиевых сопел.

• Характеризуется низким коэффициентом взаимодействия для контактирующих поверхностей.

• Проходит процесс экструзии при 160-170°C.

• Достаточно медленно застывает. Стеклование идет при температуре 50°C.

• Дает минимальную усадку (от 0,1 до 0,3 %) и деформацию.

• Не имеет резкого запаха.

• Не токсичен. Пригоден для производства детских игрушек и контакта и пищей.

• Стоит недорого.

Сферы применения

1. Используется в медицине для изготовления шовных материалов, штифтов.

2. Служит для выпуска авторских моделей, сувениров, детских конструкторов.

3. Применяется для производства подшипников, которые не несут высоких физических нагрузок. В частности, в моделировании.

4. Участвует в изготовлении упаковки для пищевых продуктов, а также емкостей для лекарств.

Минусы

— Недолговечность.

— Легкое впитывание воды.

— Относительная хрупкость. Его лучше не применять для продукции, которая должна сжиматься, падать. Например, чехол для телефона из ПЛА — неудачная идея.

Акрилонитрил бутадиен стирол (ABS, АБС)

Так как АБС зарекомендовал себя повышенной механической прочностью, его относят к группе инженерных пластиков. Описываемый материал обладает рядом преимуществ:

• Высокая прочность, позволяющая заменить некоторые детали из металла.

• Устойчивость к водной, кислотной и жирной среде.

• Отличные показатели температур для эксплуатации: от −40°C до +80°C.

• Возможность окрашивания, нанесения защитных составов на поверхность изделий из ABS.

• Невысокая температура плавления.

• Быстрое застывание (по сравнению с ПЛА) за счет небольшого разброса температур между экструзией и стеклованием.

• Экологически безопасный.

• Легкая переработка без потери качества.

• Хорошая растворимость в ацетоне. За счет этого свойства получается производить достаточно крупные модели по частям, впоследствии склеивая их.

• Долгий срок службы.

• Небольшая цена.

Применение

1. Выпуск деталей для автомобилей.

2. Изготовление корпусов для бытовой техники и офисного оборудования.

3. Производство аксессуаров для дома.

Недостатки

— Ультрафиолет губителен для некоторых видов ABS. Он разрушает изделия из него.

— В процессе охлаждения продукт может потерять до 0,8% объема. Усадка способна привести к изменению формы модели, растрескиванию верхних слоев.

Чтобы избежать неприятных последствий усадки, применяют два решения:

• В ход идут подогреваемые платформы, которые снижают разницу температур между нижними и верхними слоями модели.

• Устройство 3D-принтеров для печати этим материалом предполагает наличие закрытых корпусов, а также возможность регулирования температурного режима рабочей камеры. Благодаря этой хитрости удается поддерживать температуру новых слоев чуть ниже показателей, необходимых для стеклования. Как следствие — уменьшение степени усадки. Когда модель полностью готова, она проходит этап полного охлаждения.

— Низкая «липкость» может стать причиной использования дополнительных средств (клейкой ленты, пленки из полиамида или раствора ABS-пластика в ацетоне, который наносится на платформу прямо перед печатью) для схватывания с рабочей поверхностью.

— При нагревании выделяются ядовитые пары акрилонитрила, раздражающие слизистые оболочки и вызывающие отравление. При небольших масштабах производства достаточно хорошо проветривать помещение или установить мощную вытяжку, чтобы избежать негативного воздействия на здоровье.

— Нельзя использовать представленный материал для выпуска пищевых контейнеров, посуды или игрушек для малышей.

Поликарбонат (PC, ПК)

• Привлекает высокой прочностью, износостойкостью.

• Устойчив к температурным перепадам.

• Обладает прозрачностью.

• Не пропускает ультрафиолетовые лучи.

• Имеет температуру стеклообразования от 150°C.

• Хорошо реагирует на изгиб: не лопается и не трескается.

Где используется

1. Производство пуленепробиваемых стекол.

2. Выпуск экранов для электроники, стекол для защитных очков.

3. Изготовление деталей, механических узлов, которые должны сохранять первоначальный вид в условиях повышенной механической или температурной нагрузки.

Слабые стороны

— Впитывает влагу из воздуха, поэтому его нужно хранить в сухом месте. В противном случае на свежих слоях будут появляться пузырьки. Если работа идет в условиях повышенной влажности, то для катушки с нитями ПК может понадобиться влагозащитный контейнер.

— Несет потенциальную угрозу для здоровья во время печати, так как в качестве сырья нередко выступает токсичное соединение бисфенол А. Остаток этого вещества может находиться в готовой продукции из поликарбоната, а затем испаряться при нагревании. Чтобы избежать неприятных моментов со здоровьем, рекомендуем работать в хорошо проветриваемых помещениях.

— Из-за повышенной склонности поликарбоната к изменению формы необходимо применять подогреваемую платформу, а также закрытый корпус с подогревом рабочей камеры.

Полиэтилен низкого давления (HDPE, ПНД)

Полиэтилен нечасто встречается среди 3D-печатных материалов. Причина этого обстоятельства — сложности, с которыми приходится сталкиваться при послойном производстве моделей.

• Плавится при температуре 130-145°С.

• Устойчив к агрессивным жидкостям, а также маслам.

• Характеризуется высокой жесткостью и ударопрочностью.

• Является хорошим диэлектриком.

• Продается за небольшую цену.

• Отличается общедоступностью.

• Поддается переработке. С помощью специальных устройств бутылки, пищевую пленку, трубы, канистры, пакеты (отходы из ПНД) перерабатывают в нити, подходящие для работы на FDM/FFF принтерах.

Сфера применения

1. Производство бронежилетов.

2. Изготовление тары для косметических средств, шампуней, гелей.

Отрицательные моменты

Трудности, с которыми приходится сталкиваться в процессе работы:

— Быстро застывает (100-120°С).

— Наносимые слои нередко не успевают схватиться.

— Обладает высокой усадкой, что ведет к закрутке нижних слоев и изменению внешнего вида моделей в целом, если процесс застывания проходит неравномерно.

— Для печати необходима подогреваемая платформа, а также рабочая камера с тонкой настройкой температуры для замедления процесса остывания новых слоев.

— Необходимо осуществлять высокоскоростную печать.

— При нагревании до 120˚C и выше HDPE выделяет вредные вещества, поэтому при трехмерной печати этим материалом нужно не забывать о тщательном проветривании.

Полиметилметакрилат (PMMA, ПММА)

• Отличается стойкостью к механическим повреждениям.

• Устойчив к воздействию ультрафиолетового излучения.

• Характеризуется влагоустойчивостью.

• Экологичен.

• Без труда поддается склеиванию.

• Достаточно пластичен.

• Обладает высокими электроизоляционными свойствами.

Недостатки

ПММА плохо подходит для 3D-печати в силу ряда причин:

— Плохо хранится в форме катушек с нитью, так как непрерывное механическое напряжение со временем ведет к разрушению материала.

— Требуется настройка высокого разрешения печати, чтобы избежать образования пузырьков.

— Из-за быстрого отвердения PMMA необходим жесткий климатический контроль рабочей камеры и высокий скоростной режим печати.

— Не получается уйти от образования пузырьков и не удается достичь привычной прозрачности полиметилметакрилата при создании достаточно твердых моделей.

Компании 3D Systems, Stratasys разработали для трехмерной печати свои варианты акрила, которые показывают хорошие результаты. Возможно, со временем появятся композитные материалы на основе полиметилметакрилата, специально предназначенные для FDM/FFF печати.

Ударопрочный полистирол (HIPS)

• HIPS нужен для выпуска различных бытовых принадлежностей, строительных изделий, специальных медицинских инструментов.

• Проявляет те же физические свойства, что и ABS-пластик: высокая прочность, морозостойкость, хорошие показатели ударных характеристик.

• Легко поддается органическому растворителю Лимонену, что дает возможность создать сложные переплетенные модели, снабженные внутренними опорами.

• Зарекомендовал себя относительно низкой стоимостью.

• Отличается устойчивостью к повышенной влажности.

Обратите внимание

— Когда полистирол нагревается до температуры экструзии, выделяются токсичные испарения. Чтобы избежать отравления, нужно постоянно проветривать помещение.