Руководство по материалам для 3D-печати: типы, способы применения и свойства
3D-печать позволяет быстро и экономично создавать прототипы и изготавливать модели для широкого спектра способов применения. Но выбор подходящей технологии 3D-печати — лишь одна сторона медали. В конечном счете возможность создания моделей с требуемыми механическими свойствами, функциональными характеристиками или внешним видом будет зависеть от материалов.
В этом всеобъемлющем руководстве приводится информация о самых популярных доступных материалах для 3D-печати из пластмасс и металлов, сравниваются их свойства и способы применения, а также описывается схема выбора наиболее подходящего материала для реализации вашего проекта.
Интерактивный материал
Найдите подходящий материал для работы
Нужна помощь в выборе материала для 3D-печати? Наш новый интерактивный мастер по материалам поможет вам выбрать подходящий материал среди нашего расширяющегося ассортимента полимеров, с учетом его планируемого применения и наиболее важных для вас свойств.
Материалы из пластмасс и процессы 3D-печати
Для 3D-печати доступны десятки материалов из пластмассы. Каждый из них обладает уникальными свойствами, подходящими для конкретных способов применения. Для более простого поиска материала, лучше всего подходящего для создания конкретной модели или изделия, сначала рассмотрим основные типы пластмасс и различные процессы 3D-печати.
Типы материалов из пластмассы
Существует два основных типа пластмасс:
- Термопласты — это наиболее распространенный тип пластмасс. Главная особенность, отличающая их от термореактивных пластмасс, — способность выдерживать многочисленные циклы плавления и отвердевания. Термопласты можно нагревать и придавать им желаемую форму. Этот процесс обратим, поскольку не происходит образования химической связи. Благодаря этому их можно перерабатывать или расплавлять и использовать повторно. Термопласты можно сравнить со сливочном маслом: оно растапливается и затвердевает множество раз. При каждом цикле плавления свойства термопластов немного меняются.
- Термореактивные пластмассы (также называемые термореактивными материалами) постоянно остаются в твердом состоянии после полимеризации. Полимеры в термореактивных пластмассах сшиваются во время процесса полимеризации, который индуцируется теплом, светом или соответствующим излучением. Термореактивные пластмассы разлагаются при нагревании, а не плавятся. Кроме того, они не меняют свою форму при охлаждении. Переработка термореактивных пластмасс или восстановление материала к исходному состоянию невозможна. Термореактивный материал подобен тесту для пирога: после выпечки пирог нельзя снова переплавить в тесто.
Процесс 3D-печати с помощью пластмасс
Сегодня наиболее распространены следующие три процесса 3D-печати с помощью пластмасс:
- 3D-принтеры на базе технологии моделирования методом наплавления (FDM) выплавляют и экструдируют термопластичные нити, которые сопло принтера слой за слоем наносит на рабочую область.
- 3D-принтеры на базе технологии стерелитографии (SLA) используют лазер для фотополимеризации термореактивных жидких полимеров в затвердевшую пластмассу.
- 3D-принтеры на базе технологии селективного лазерного спекания (SLS) оснащены высокомощным лазером для спекания мелких частиц термопластичного порошка.
Видеоинструкция
Выбор технологии 3D-печати
Вам не удается найти технологию 3D-печати, наиболее соответствующую вашим потребностям? В этом видеоруководстве мы сравниваем технологии моделирования методом наплавления (FDM), стереолитографии (SLA) и селективного лазерного спекания (SLS) с точки зрения главных факторов, которые следует учитывать при покупке.
3D-печать по технологии моделирования методом наплавления (FDM)
Моделирование методом наплавления (FDM), также известное как производство способом наплавления нитей (FFF), — наиболее распространенная форма 3D-печати потребительского уровня, чему способствовало распространение любительских 3D-принтеров.
Этот способ хорошо подходит для изготовления базовых экспериментальных моделей, а также для быстрого и недорогого создания прототипов простых изделий, например деталей, которые обычно подвергаются механической обработке.
Технология FDM потребительского класса имеет самое низкое разрешение и точность по сравнению другими процессами 3D-печати из пластмасс, из-за чего она не подходит для печати сложных конструкций или моделей с замысловатыми элементами. Повысить качество поверхности моделей, напечатанных по этой технологии, можно с помощью химических и механических процессов полировки. Решить эти проблемы могут промышленные 3D-принтеры на базе технологии FDM, которые предлагают более широкий ассортимент инженерных термопластов, но и стоят значительно дороже.
Каждый слой формируется термопластичной нитью. Иногда, если слои не полностью прилегают друг к другу, между ними могут остаться пустоты. В результате получаются анизотропные модели, что важно учитывать при проектировании изделий, которые должны выдерживать нагрузку и быть устойчивыми к натяжению.
Материалы для 3D-печати по технологии FDM доступны в различных цветах. Существуют также различные экспериментальные смеси термопластичных нитей, предназначенные для создания моделей с поверхностью, имитирующей дерево или металл.
Популярные материалы для 3D-печати по технологии FDM
Самые распространенные материалы для 3D-печати по технологии FDM — АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол), ПЛА (полимолочная кислота) и различные смеси этих полимеров. Более совершенные принтеры с технологией FDM могут также выполнять печать с помощью других материалов, обладающих иными свойствами, такими как повышенная устойчивость к воздействию температуры и химических веществ, ударопрочность и жесткость.
| Материал | Характеристики | Способы применения |
|---|---|---|
| АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол) | Прочный и долговечный Термостойкий и ударопрочный Потребность в подогреваемой платформе для печати Потребность в вентиляции |
Функциональные прототипы |
| ПЛА (полимолочная кислота) | Самый простой материал для печати по технологии FDM Прочный, жесткий, но хрупкий Менее устойчивый к воздействию температуры и химических веществ Биоразлагаемый Не имеет запаха |
Концептуальные модели Реалистичные прототипы |
| ПЭТГ (полиэтилентерефталатгликоль) | Совместим с низкими температурами печати для ускоренного производства Устойчивый к воздействию влаги и химических веществ Высокая прозрачность Может быть совместим с пищевыми продуктами |
Применение для обеспечения водонепроницаемости Компоненты с соединениями на защелках |
| Нейлон | Жесткий, долговечный и легкий Прочный и частично гибкий Термостойкий и ударопрочный Сложный для печати по технологии FDM |
Функциональные прототипы Износостойкие модели |
| ТПУ (термополиуретан) | Гибкий и поддающийся растяжению Ударопрочный Превосходно гасит вибрации |
Гибкие прототипы |
| ПВС (поливиниловый спирт) | Материал для создания растворимых поддерживающих структур Растворяется в воде |
Материал для поддерживающих структур |
| Ударопрочный полистирол | Материал для создания растворимых поддерживающих структур, наиболее часто используемый с АБС Растворяется в лимонене |
Материал для поддерживающих структур |
| Композитные материалы (углеродное волокно, кевлар, оптоволокно) | Прочный, жесткий и невероятно твердый Совместим только с некоторыми дорогими промышленными 3D-принтерами на базе технологии FDM |
Функциональные прототипы Зажимные и крепежные приспособления, инструментальная оснастка |
3D-печать по технологии стереолитографии (SLA)
Изобретенная в 1980-х годах стереолитография — это первая в мире технология 3D-печати, которая до сих пор остается одной из самых популярных среди профессионалов.
Модели, напечатанные на стерелитографических принтерах, имеют самое высокое разрешение и точность, самую четкую детализацию и самую гладкую поверхность по сравнению с другими технологиями 3D-печати из пластмасс. 3D-печать с использованием полимеров — отличный вариант для изготовления высокодетализированных прототипов, требующих жестких допусков и гладких поверхностей, таких как пресс-формы, шаблоны и функциональные модели. Модели, напечатанные по технологии SLA, легко поддаются полировке и (или) покраске после печати, в результате чего можно получить готовые изделия с высокой детализацией.
Модели, напечатанные на 3D-принтерах по технологии SLA, как правило, изотропны: их прочность более или менее постоянна и независит от ориентации, поскольку химические связи возникают между каждым слоем. Это позволяет получить модели с предсказуемыми механическими характеристиками, критически важными для таких целей, как производство крепежных и зажимных приспособлений, готовых изделий, а также функциональных прототипов.
Стереолитография поддерживает широкий спектр материалов для 3D-печати из пластмасс.
Популярные материалы для 3D-печати по технологии SLA
3D-печать по технологии SLA универсальна и обеспечивает широкий спектр оптических, механических и термических свойств, которые соответствуют характеристикам стандартных, инженерных и промышленных термопластов.
| Материалы компании Formlabs | Характеристики | Способы применения |
|---|---|---|
| Стандартные полимеры | Высокое разрешение Гладкая, матовая поверхность |
Концептуальные модели Реалистичные прототипы |
| Clear Resin | Единственный по-настоящему прозрачный материал для 3D-печати из пластмасс Можно отполировать практически до полной оптической прозрачности |
Модели, которые должны быть оптически прозрачными Миллифлюидные устройства |
| Draft Resin | Один из самых «быстрых» материалов для 3D-печати Печать происходит в 4 раза быстрее по сравнению со стандартными полимерами и в 10 раз быстрее по сравнению с технологией FDM |
Исходные прототипы Быстрые итерации |
| Tough Resin и Durable Resin | Жесткие, прочные, функциональные и динамичные материалы Способны выдерживать сжатие, растяжение, сгибание и удары, не разрушаясь Различные материалы со свойствами, схожими с АБС и ПЭ |
Корпуса и кожухи Зажимные и крепежные приспособления Соединительные устройства Износостойкие прототипы |
| Полимеры Rigid | Высоконаполненный, жесткий и прочный материал, устойчивый к сгибанию Устойчивый к воздействию температуры и химических веществ Сохраняет размер под нагрузкой |
Зажимные и крепежные приспособления, инструментальная оснастка Турбины и лопасти вентиляторов Компоненты для подачи жидкости/воздуха Электрические кожухи и корпуса, используемые в автомобильной промышленности |
| High Temp Resin | Устойчивый к воздействию высокой температуры Высокая точность |
Компоненты для подачи горячего воздуха, газа и жидкости Термостойкие крепления, корпуса и крепежные приспособления Пресс-формы и вставки |
| Flexible Resin и Elastic Resin | Гибкость резины, ТПУ или силикона Устойчивый к сгибанию и сжатию Выдерживает множество последовательных циклов, не изнашиваясь |
Прототипы потребительских товаров Сгибаемые структуры для робототехники Медицинские устройства и анатомические модели Реквизит и модели для спецэффектов |
| Медицинские и стоматологические полимеры | Широкий спектр биосовместимых полимеров для изготовления медицинских и стоматологических изделий | Стоматологические и медицинские изделия, в том числе хирургические шаблоны, зубные протезы и протезы конечностей |
| Ювелирные полимеры | Материалы для литья по выплавляемым моделям и с помощью вулканизированной резины Легко поддается литью, позволяя создавать замысловатые элементы, и хорошо сохраняет форму |
Изделия для примерки Модели для многоразовых пресс-форм Ювелирные украшения на заказ |
| Ceramic Resin | Поверхность, похожая на текстуру камня Возможность обжига для создания настоящего керамического изделия |
Технические изыскания Уникальные предметы искусства |
Запросите бесплатный образец
Оцените качество печати Formlabs лично. Мы отправим бесплатный образец печати прямо в ваш офис.
3D-печать по технологии селективного лазерного спекания (SLS)
3D-печать методом селективного лазерного спекания (SLS) — это технология, которой доверяют инженеры и производители в разных отраслях, ведь она позволяет создавать прочные и функциональные модели. Благодаря низкой себестоимости модели, высокой производительности и использованию распространенных материалов эта технология отлично подходит для решения широкого спектра задач: от быстрого прототипирования до мелкосерийного производства, изготовления ограниченных пробных партий или создания изделий по индивидуальному заказу.
Неспекшийся порошок поддерживает модель во время печати и устраняет необходимость в создании специальных поддерживающих структур. В результате технология SLS идеально подходит для изготовления моделей со сложной геометрией, в том числе с внутренними элементами, поднутрениями, тонкими стенками, а также элементами с отрицательным уклоном.
Как и стереолитография, технология SLS позволяет изготавливать более изотропные модели по сравнению с моделями, созданными методом FDM. Модели, созданные по технологии SLS, обладают слегка шероховатой поверхностью из-за частиц порошка, но практически не имеют видимых линий слоев.
Материалы для 3D-печати по технологии SLS идеально подходят для решения целого ряда функциональных задач, от проектирования потребительских товаров до применения в производстве и области здравоохранения.
Популярные материалы для 3D-печати по технологии SLS
По сравнению с технологиями FDM и SLA технология SLS позволяет использовать ограниченное количество материалов. Однако доступные материалы отличаются превосходными механическими характеристиками. Они обладают прочностью, сравнимой с моделями, которые были отлиты под давлением. Самый распространенный материал для селективного лазерного спекания — нейлон, популярный инженерный термопластик с превосходными механическими свойствами. Нейлон легкий, прочный и гибкий, устойчив к ударам, нагреву, воздействию химических веществ, ультрафиолетового излучения, воды и грязи.
| Материал | Описание | Способы применения |
|---|---|---|
| Nylon 12 Powder | Прочный, жесткий и долговечный Ударопрочный и износостойкий Устойчивый к воздействию ультрафиолета, света, тепла, влаги, растворителей, температуры и воды |
Функциональные прототипы Изделия для конечного применения Медицинские устройства |
| Nylon 11 Powder | Имеет схожие с Nylon 12 Powder свойства. Обладает большими эластичностью, удлинением при разрыве и ударопрочностью, но меньшей жесткостью | Функциональные прототипы Изделия для конечного применения Медицинские устройства |
| ТПУ | Гибкий, эластичный, упругий Устойчивый к деформации Высокая стойкость к ультрафиолетовому облучению Отличная демпфирующая способность |
Функциональные прототипы Гибкие, похожие на резину изделия для конечного применения Медицинские устройства |
| Композитные вещества из нейлона | Нейлоновые материалы, усиленные стеклом, алюминием или стекловолокном для придания большей прочности и жесткости | Функциональные прототипы Стуктурные изделия для конечного применения |
Запросите бесплатный образец
Оцените качество печати Formlabs по технологии SLS лично. Мы отправим бесплатный образец печати прямо в ваш офис.
Сравнение материалов из пластмасс и процессов 3D-печати
Различные материалы и процессы 3D-печати имеют свои преимущества и недостатки, которые определяют их пригодность для применения в различных сценариях. В следующей таблице приведен краткий обзор некоторых главных характеристик и факторов, которые нужно учитывать.
| FDM | SLA | SLS | |
|---|---|---|---|
| Преимущества | Недорогие и доступные устройства и материалы потребительского класса | Отличное соотношение цены и эффективности Высокая точность Гладкая поверхность Широкий спектр функциональных материалов |
Прочные функциональные модели Широкие возможности проектирования Отсутствие необходимости в создании поддерживающих структур |
| Недостатки | Низкая точность Низкая детализация Ограниченное соответствие проектной конструкции Высокая стоимость промышленных устройств, если необходимы точность и материалы с высокими эксплуатационными характеристиками |
Чувствительность к продолжительному воздействию ультрафиолета | Более дорогостоящее аппаратное обеспечение Ограниченный выбор материалов |
| Способы применения | Недорогое быстрое прототипирование Базовые экспериментальные модели Изготовление специальных изделий для конечного применения с помощью профессиональных промышленных устройств и материалов |
Функциональные прототипы Шаблоны, пресс-формы и инструментальная оснастка Стоматологические изделия Прототипы и формы для отливки ювелирных изделий Реквизит и модели |
Функциональные прототипы Мелкосерийное производство, изготовление ограниченных пробных партий, создание изделий на заказ |
| Материалы | Стандартные термопластики, такие как АБС, ПЛА и их различные смеси на устройствах потребительского класса. Высокоэффективные композитные материалы на дорогостоящих промышленных устройствах | Различные полимеры (термореактивные пластмассы). Стандартные, инженерные (похожие на АБС и ПП, гибкие, термостойкие), литьевые, стоматологические и медицинские (биосовместимые). | Инженерные термопластики. Nylon 11 Powder, Nylon 12 Powder и их композитные материалы, термопластичные эластомеры, такие как ТПУ. |
3D-печать из металлов
Существует несколько процессов 3D-печати не только из пластмасс, но и металлов.
- Печать из металлов по технологии FDM
Принтеры, выполняющие печать из металлов по технологии FDM, устроены аналогично традиционным FDM-принтерам, но в них используются экструдированные металлические стержни, удерживаемые связующим полимером. Готовые модели находятся в промежуточном состоянии, а затем спекаются в печи для удаления связующего вещества.
- Селективное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS)
Принтеры на базе технологий SLM и DMLS устроены аналогично принтерам с технологией SLS, однако вместо полимерных порошков они слой за слоем сплавляют частицы металлического порошка с помощью лазера. 3D-принтеры на базе технологий SLM и DMLS позволяют создавать прочные, точные и сложные металлические изделия, благодаря чему этот процесс идеально подходит для аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности.
Популярные материалы для 3D-печати из металлов
- Титан — легкий металл с отличными механическими характеристиками. Он прочный, твердый и обладает высокой устойчивостью к нагреванию, окислению и воздействию кислот.
- Нержавеющая сталь отличается высокой прочностью и пластичностью, а также устойчива к коррозии.
- Алюминий — легкий, долговечный, прочный металл, обладающий хорошими тепловыми свойствами.
- Инструментальная сталь — твердый, устойчивый к царапинам материал, который можно использовать для печати инструментов для конечного применения и других изделий высокой прочности.
- Никелевые сплавы обладают высокой упругостью на растяжение, ползучестью и пределом прочности на разрыв, а также термо- и коррозионной стойкостью.
Альтернативы 3D-печати из металлов
По сравнению с технологиями 3D-печати из пластмасс 3D-печать из металлов значительно дороже и сложнее, поэтому она недоступна большинству компаний.
В качестве альтернативы для рабочих процессов литья, которые позволяют изготавливать металлические модели дешевле и быстрее по сравнению с традиционными методами и предоставляют большую свободу проектирования, хорошо подходит 3D-печать по технологии SLA.
Другой альтернативой является гальванизация моделей, напечатанных по технологии SLA. Она предполагает нанесение на пластмассу слоя металла с помощью электролиза. Это позволяет объединить некоторые из лучших качеств металла (прочность, электропроводность, устойчивость к коррозии и истиранию) с особыми свойствами основного (обычно пластмассового) материала.
3D-печать из пластмасс хорошо подходит для создания шаблонов, которые можно отлить для производства металлических моделей.
Схема выбора подходящего материала для 3D-печати
Существует множество материалов и доступных вариантов 3D-печати, поэтому сделать правильный выбор бывает трудно.
Мы предлагаем трехэтапную схему выбора подходящего материала для 3D-печати.
Этап 1: определение функциональных характеристик
Пластмассы, используемые для 3D-печати, обладают различными химическими, оптическими, механическими и тепловыми характеристиками, которые влияют на свойства моделей, созданных с помощью 3D-печати. По мере перехода от сценария предполагаемого использования к реальным условиям эксплуатации требования к функциональным характеристикам соответственно возрастают.
Этап 2: преобразование функциональных характеристик в требования, предъявляемые к материалу
После определения функциональных характеристик вашего продукта следует преобразовать их в требования, предъявляемые к материалу: свойства материала, которые будут удовлетворять этим требованиям. Эти показатели обычно приводятся в технических характеристиках материала.
| Требование | Описание | Рекомендации |
|---|---|---|
| Предел прочности на разрыв | Устойчивость материала к разрушению под натяжением. Высокий предел прочности на разрыв важен для структурных, несущих, механических или статических моделей. | FDM ПЛА SLA: Clear Resin, Rigid Resin SLS: Nylon 12 Powder, композитные материалы из нейлона |
| Модуль изгиба | Устойчивость материала к сгибанию под нагрузкой. Свидетельствует либо о жесткости (высокое значение), либо о гибкости (низкое значение) материала. | FDM ПЛА (высокое значение), АБС (среднее значение) SLA: Rigid Resin (высокое значение), Tough Resin и Durable Resin (среднее значение), Flexible Resin и Elastic Resin (низкое значение) SLS: композитные материалы из нейлона (высокое значение), Nylon 12 Powder (среднее значение) |
| Удлинение | Устойчивость материала к разрушению при растяжении. Позволяет сравнить степень растяжения гибких материалов. Также свидетельствует о том, растягивается ли материал или сразу разрушается. | FDM АБС (среднее значение), ТПУ (высокое значение) SLA: Tough Resin и Durable Resin (среднее значение), Flexible Resin и Elastic Resin (высокое значение) SLS: Nylon 12 Powder (среднее значение), Nylon 11 Powder (среднее значение), ТПУ (высокое значение) |
| Ударная вязкость | Способность материала поглощать удары и их энергию, не разрушаясь. Свидетельствует о жесткости и долговечности. Позволяет определить, насколько легко разрушается материал при падении на землю или столкновении с другим объектом. | FDM АБС, нейлон SLA: Tough 2000 Resin, Tough 1500 Resin, Grey Pro Resin, Durable Resin SLS: Nylon 12 Powder, Nylon 11 Powder |
| Температура изгиба под нагрузкой | Температура, при которой образец деформируется под определенной нагрузкой. Свидетельствует о том, подходит ли материал для применения в условиях высокой температуры. | SLA: High Temp Resin, Rigid Resin SLS: Nylon 12 Powder, композитные материалы из нейлона |
| Твердость (дюрометр) | Устойчивость материала к поверхностной деформации. Позволяет определить нужную степень пластичности мягкой пластмассы, такой как резина и эластомеры, для конкретного способа применения. | FDM ТПУ SLA: Flexible Resin, Elastic Resin SLS: ТПУ |
| Сопротивление разрыву | Устойчивость материала к появления надрезов под натяжением. Этот показатель важен для оценки долговечности и износостойкости мягкой пластмассы и гибких материалов, таких как резина. | FDM ТПУ SLA: Flexible Resin, Elastic Resin, Durable Resin SLS: Nylon 11 Powder, ТПУ |
| Ползучесть | Ползучесть — это склонность материала к необратимой деформации под влиянием постоянного напряжения: натяжения, сжатия, сдвига или изгиба. Низкая ползучесть указывает на долговечность твердых пластмасс и очень важна для структурных моделей. | FDM АБС SLA: Rigid Resin SLS: Nylon 12 Powder, композитные материалы из нейлона |
| Остаточная деформация при сжатии | Необратимая деформация после сжатия материала. Важный показатель для мягкой пластмассы и способов применения, где нужна эластичность. Свидетельствует о том, восстановит ли материал свою первоначальную форму после снятия нагрузки. | FDM ТПУ SLA: Flexible Resin, Elastic Resin SLS: ТПУ |
Для получения более подробной информации о свойствах материалов, см. наше руководство по наиболее распространенным механическим и термическим свойствам.
Этап 3: выбор
После преобразования функциональных характеристик в требования, предъявляемые к материалам, вы, скорее всего, сможете узнать, какой материал или небольшая группа материалов подходят для вашего способа применения.
Если вашим основным требованиям отвечают несколько материалов, для окончательного выбора можно рассмотреть более широкий диапазон желаемых характеристик, а также преимущества и недостатки этих материалов и процессов.
Найдите лучший материал для 3D-печати, чтобы реализовать свой проект
Используйте наш интерактивный мастер по материалам. Он поможет вам правильно подобрать материалы из нашего расширяющегося ассортимента полимеров с учетом их предстоящего применения и наиболее важных для вас свойств. У вас возникли конкретные вопросы о материалах для 3D-печати? Свяжитесь с нашими экспертами.
https://formlabs.com/ru/blog/3d-printing-materials/