В современном аддитивном производстве используется множество материалов, однако наиболее популярными среди них считаются фотополимерные смолы (resins) и порошки (powders). Оба типа веществ используются в ряде востребованных технологий 3D печати: порошки оптимально подходят для SLS (выборочное лазерное спекание) и Multi Jet Fusion, а смолы – для струйной печати жидкими полимерами и фотополимеризации. В данной статье мы сравним основные виды материалов из каждой категории, расскажем об их особенностях, сферах применения, производителях и ценах.
Виды и характеристики фотополимерных смол
На сегодняшний день на рынке представлен обширный выбор смол для 3D печати, все они имеют разные свойства и сферы применения. С их помощью можно создавать миниатюрные детали с высокой детализацией. К ним относят:
– Стандартные смолы. Самый распространенный и доступный материал, предлагаемый множеством производителей. Он имеет низкую цену и хорошо поддается обработке, но при этом довольно хрупкий – детали из таких смол легко трескаются и ломаются. Оптимально подходит для быстрой печати прототипов.
– Гибкие смолы. Эти материалы имеют разные параметры гибкости и жесткости. Их используют для производства пластичных изделий, которые можно сгибать и сжимать.
– Водорастворимые смолы. Они легко растворяются и смываются обычной водой без применения спиртосодержащих жидкостей, что упрощает и ускоряет процесс постобработки. Такие смолы имеют сухую и менее липкую поверхность, а еще не так сильно пахнут.
– Промышленные смолы. Подходят для изготовления изделий с твердой и жесткой структурой. Сюда относятся устойчивые к высокой температуре смолы (сохраняют твердую форму при температуре до 238 С) и выгораемые смолы (позволяют создавать гладкие детализированные изделия, не оставляют отходов или следов после печати).
– Стоматологические смолы. Эти смолы можно красить или делать прозрачными, придавать им необходимые показатели пластичности или жесткости. Широко применяются в стоматологии для производства коронок, мостов, фиксаторов и шин.
Виды и характеристики порошков
Современный рынок термопластичных полимерных порошков содержит массу наименований материалов, включая:
– Нейлон. Также известен как полиамид, наиболее распространены модели PA12 и PA11. Они умеренно впитывают влагу и имеют достойные показатели жесткости и трения, поэтому используются в разных сферах промышленности (автомобилестроении и т.д.):
а) PA12 – производится из нефти, хорошо выдерживает резкие перепады температур, устойчив ко многим химикатам.
б) PA11 – полимер с биологической основой, однако не биоразлагаемый. Содержит касторовое масло, имеет хорошие показатели сопротивляемости и эластичности, более экологичен, чем PA12.
– PEEK. Полукристаллический термопласт высоко ценится за свои механические свойства и стойкость к высокой температуре. По своей массе и другим показателям он похож на металл. Сложен для производства из-за требований к температурному режиму. Чаще всего применяется в автомобилестроении, аэрокосмической отрасли и медицине.
– Композиты. Этот тип материалов содержит матричные полимеры с короткими или длинными волокнами. Наиболее известны среди них углеродное и стеклянное волокно. Первое является твердым, легким и жестким материалом, а второе более твердое, но менее плотное и жесткое.
– Полипропилен. Данный термопласт также имеет полукристаллическую структуру и устойчивость к химикатам, вместе с небольшим весом и электроизоляцией. Как и в случае с PEEK, ограничения по температурному режиму затрудняют его производство.
– TPU. Термопластичный полиуретан – это весьма прочный и стойкий к истиранию (но не к высокой температуре) материал с довольно гибкими требованиями к производству.
Важным преимуществом полимерных порошков считается их перерабатываемость. Использованные для SLS и MFJ печати термопласты можно просеять и смешать с другими порошками для производства новых изделий.
Особенности процесса 3D печати из смол и порошков
Одной из самых популярных технологий аддитивного производства из смол является фотополимеризация. К ней относятся такие процессы, как SLA, DLP и LCD, использующие ультрафиолет (UV) для обработки материала. Данные методы различаются между собой по источнику излучения. SLA применяет лазер для поэтапного отвердевания смолы, а DLP – проектор, который обеспечивает мгновенное затвердевание сырья. Кроме того, этот материал подходят и для струйной печати: она позволяет смешивать несколько разных видов смол, в том числе прозрачные.
После завершения печати на рабочей области часто остаются липкие следы смол, которые следует очищать при помощи растворителя. Также не забывайте про удаление поддержек, если использовали их в процессе. Некоторые материалы нуждаются в дополнительной тепловой обработке – например, достаточно подержать их под солнечным светом какое-то время.
Что касается 3D печати из порошков, то здесь наиболее распространены технологии SLS, MJF и SAF, а также Binder Jetting (BJ). SLS обеспечивает выборочное спекание сырья при помощи лазера и дальнейшее затвердевание заготовки. При MFJ (Multi-Jet Fusion) вещество-плавитель наносится непосредственно на области соединения элементов. Затем туда добавляется вещество-детейлер, делающее края изделия гладкими и ровными. SAF использует вещество-абсорбент, которое впитывается в порошок и помогает ему застыть в форме необходимой детали.
В отличие от смол, для печати из полимерных порошков не нужно использовать поддержки. В процессе изготовления деталь находится внутри порошковой оболочки, которая поддерживает ее. После завершения процесса сначала нужно достать изделие из этой оболочки, затем оставить его охладиться и полностью застыть, а потом очистить его от остатков порошка – вручную или при помощи специальных приспособлений.
Сферы применения, производители и цены этих материалов
3D печать из полимерных смол востребована в тех сферах, где требуется высокая точность и детализация изделий. Например, при производстве ювелирных изделий, бижутерии, игрушек, стоматологических материалов и т.д. Что касается полимерных порошков, то они хорошо зарекомендовали себя в медицине. К примеру, биосовместимость нейлона делает его оптимальным для изготовления протезов.
Наиболее известными производителями смол считаются крупные химические корпорации. К ним относятся Loctite Henkel, Covestro Additive Manufacturing, BASF и Arkema, активно взаимодействующие с разработчиками 3D принтеров: Zortrax, Formlabs, EnvisionTEC. Полимерные порошки для печати также выпускаются известными отраслевыми брендами: Arkema, BASF, Evonik в сотрудничестве с HP и EOS.
Ценовой диапазон смол и порошков весьма обширен: он зависит от их свойств и назначения. Стоимость 500 грамм стандартной черной смолы начинается от $25 и достигает $400 за 1 л. Порошок PA11 стоит от $75 до $320 за килограмм. При этом до 50% от его объема можно использовать повторно, что делает этот материал весьма экономичным.
