Zaawansowane materiały do druku 3D: Kompleksowy przewodnik po wydajności, zastosowaniach i innowacjach

W szerokim wachlarzu druku 3D, wybór materiałów do druku 3D determinuje osiągnięcie zamierzonego celu w każdym projekcie. Jednym z kluczowych czynników określających możliwości druku 3D jest różnorodność dostępnych materiałów. Każdy materiał różni się właściwościami użytkowymi. Wśród nich PLA, ABS, PETG i Nylon są bardziej popularne ze względu na ich użyteczność i możliwość dostosowania do różnych zastosowań.

Tytan, stal nierdzewna i inne metale, takie jak aluminium, są wykorzystywane głównie do celów przemysłowych. W tych zastosowaniach kluczowe znaczenie mają wytrzymałość i trwałość. Ceramika jest stosowana ze względu na jej tolerancję na wysokie temperatury i odporność na zużycie. Włókna, takie jak węgiel, zapewniają wytrzymałość i lekkość, podczas gdy żywice, w szczególności fotopolimery, są wykorzystywane do precyzyjnej pracy w branżach takich jak stomatologia i jubilerstwo.

W zależności od wybranych materiałów, mają one swoją rolę i dodają pewne cechy do dziedziny produkcji addytywnej. Niniejszy artykuł zawiera dogłębną analizę rozwoju materiałów stosowanych w druku 3D, porównanie ich wydajności, odpowiednie zastosowania i porównanie kosztów. Pod koniec tego przewodnika będziesz mieć jasne zrozumienie materiałów. Będziesz wiedział, który z nich jest najbardziej odpowiedni dla Twoich wymagań w zakresie druku 3D.

Rodzaje materiałów do druku 3D

Polimery

Większość materiałów do druku 3D to polimery, ponieważ są one wszechstronne i mogą być stosowane w wielu dziedzinach. PLA ma reputację przyjaznej dla środowiska i prostej w obsłudze. W związku z tym nadaje się dla początkujących użytkowników i do tworzenia prototypów. ABS zapewnia większą wytrzymałość i stabilność, które są idealne do rygorystycznych zastosowań. PETG ma cechy zarówno PLA, jak i ABS, oferując wytrzymałość i odporność chemiczną dla używanych części. Jednocześnie Nylon jest najbardziej wytrzymałym, elastycznym i odpornym na zużycie materiałem, odpowiednim do zastosowań inżynieryjnych o dużym obciążeniu. Niektóre polimery mają wysoką wytrzymałość i są zwykle stosowane w przemyśle lotniczym, podczas gdy inne są używane w płytkach drukowanych ze względu na ich elastyczność.

Materiały polimerowe odegrały kluczową rolę w rozwoju technologii druku 3D, który rozpoczął się w latach 80. wraz z komercjalizacją stereolitografii. Historia kluczowych polimerów, takich jak poliamidy i PLA, rozpoczęła się na początku XX wieku, a znaczące prekursory AM zostały opracowane w latach 20. i 40. ubiegłego wieku. FFF i SLS zostały po raz pierwszy opracowane w latach 80. i na początku lat 90. i skorzystały z rozwoju technologicznego komputerów.

Wraz z wygaśnięciem patentów na początku 2000 roku, wdrożenie technologii druku 3D rozprzestrzeniło się na inne branże, takie jak medycyna i lotnictwo. Po 2010 r. ulepszone materiały, takie jak inteligentne polimery, rozszerzyły AM z prototypowania na bezpośrednie oprzyrządowanie i produkcję produktów końcowych. Co więcej, tańsze i dostępne oprogramowanie oraz narzędzia open-source zwiększyły popularność druku 3D.

Proces druku 3D dla polimerów i kompozytów

Produkcja obiektów laminowanych jest powszechnym procesem druku 3D. Nie jest on jednak zalecany do tworzenia obiektów z polimerów, podobnie jak selektywne spiekanie laserowe i bezpośrednie spiekanie laserowe metali, ponieważ są one dobrze znane z tworzenia obiektów z polimerów i kompozytów polimerowych przy użyciu procesów FFF, SLA, MJ, BJ i PBF.

Wszystkie metody charakteryzują się różnymi możliwościami zastosowania i pewnymi cechami w zależności od warunków polimeru, takich jak kształt, stan lub inne właściwości fizyczne. Jednak za każdym razem, gdy wybierana jest konkretna technika druku 3D, należy wziąć pod uwagę pewne ograniczenia, w tym kompatybilność z niektórymi materiałami, koszty użytkowania, wymagania dotyczące rozdzielczości i złożoność stosowanych geometrii.

Niniejszy przegląd wprowadza i wyjaśnia te metody, przedstawia rodzaje polimerów, które mogą być stosowane, oraz opisuje ich zalety i wady, przedstawione na poniższym schemacie.

Źródło: https://www.researchgate.net/figure/Schematic-representations-of-3D-printing-techniques13_fig2_373843699

Źródło zdjęcia: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521005178

Źródło zdjęcia: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521005178

Metale

Podstawowe metale, takie jak tytan, stal nierdzewna i aluminium, odgrywają znaczącą rolę w globalnym druku 3D do zastosowań przemysłowych ze względu na ich wytrzymałość, elastyczność i lekkość. Tytan doskonale sprawdza się w lotnictwie i medycynie. Stal nierdzewna jest bardzo wszechstronna i wytrzymała. Aluminium jest lekkim i łatwym przewodnikiem ciepła.

Tytan: Wytrzymałość i biokompatybilność

Tytan stał się ulubionym metalem w druku 3D, szczególnie w zastosowaniach wymagających wytrzymałości, doskonałej odporności na korozję i biokompatybilności. Jego lekka, a jednocześnie wytrzymała struktura sprawia, że idealnie nadaje się do produkcji części lotniczych. Jest to szczególnie ważne w przypadku samolotów nowej generacji, gdzie kluczowe znaczenie ma minimalizacja masy bez uszczerbku dla wytrzymałości.

Biokompatybilność tytanu sprawia, że nadaje się on do stosowania w przemyśle medycznym. Jest on szczególnie cenny w produkcji implantów i protez, które integrują się z ludzkim ciałem.

Wysoka temperatura topnienia i reaktywność tytanu sprawiają, że drukowanie 3D stanowi wyzwanie. Specjalne metody, takie jak EBM i SLM, są wymagane do kontrolowania środowiska drukowania i zapobiegania utlenianiu.

Poniższy schemat przedstawia ogólny przepływ pracy podczas tworzenia tytanowej części wydrukowanej w 3D przy użyciu SLM:

Stal nierdzewna: Wszechstronność i trwałość

Innym popularnym materiałem do druku 3D jest stal nierdzewna. Jest ona znana ze swojej elastyczności i odporności na korozję. Oferuje doskonałe połączenie wytrzymałości, elastyczności i odporności na korozję. Dzięki temu nadaje się do stosowania w niemal wszystkich branżach, od części samochodowych po artykuły gospodarstwa domowego.

W przypadku stali nierdzewnej w druku 3D, DMLS i Binder Jetting mogą być stosowane w różnych formach i ramach ze względu na elastyczność tych dwóch procesów produkcyjnych i ich wysoki stopień dokładności w drukowaniu kształtów 3D.

Pomaga również tworzyć funkcjonalne części, które są odporne na duże zużycie i są zaprojektowane do pracy w ekstremalnych warunkach środowiskowych.

Poniżej znajduje się schemat procesu DMLS dla stali nierdzewnej, ilustrujący sposób, w jaki każda warstwa jest stapiana w celu stworzenia sztywnego i wytrzymałego elementu.

Aluminium: Lekkość i wysoka przewodność

Ze względu na niską gęstość oraz dobrą przewodność cieplną i elektryczną, aluminium jest bardzo poszukiwane w druku 3D. Cechy te sprawiają, że jest ono szczególnie ważne w produkcji samochodów i zastosowaniach elektrycznych, gdzie redukcja wagi i rozpraszanie ciepła są niezbędne.

Stopy aluminium, które mogą być stosowane w druku 3D, AlSi10Mg, są drukowane za pomocą SLS lub DMLS. Techniki te pozwalają na tworzenie małych, lekkich części o złożonych kształtach, które nie mogą być wykonane lub byłyby kosztowne w konwencjonalnych procesach.

Ta właściwość wyjaśnia również, dlaczego aluminium jest używane w częściach, które wymagają radiatorytakich jak wymienniki ciepła i obudowy urządzeń elektrycznych.

Ten rysunek ilustruje proces SLS dla aluminium. Wskazuje on, że wymagane właściwości mechaniczne produktu końcowego są osiągalne ze względu na wysoki stopień dokładności i kontroli procesu.

Ceramika

Materiały ceramiczne są szeroko stosowane w druku 3D ze względu na ich doskonałą odporność na wysokie temperatury i zużycie. Materiały te wykazują wysoki stopień odporności termicznej i odporności na korozję; dlatego też powinny być dostosowane do przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego i energetycznego.

Na przykład, specyficzne zastosowania, takie jak łopatki turbin, osłony termiczne lub inne wysokowydajne produkty silnikowe, wymagają integracji elementów ceramicznych ze względu na ich trwałość i stabilność termiczną.

Niektóre techniki stosowane do tworzenia ceramiki za pomocą druku 3D obejmują SLS lub Binder Jetting, ponieważ umożliwiają one tworzenie kształtów, których nie można łatwo wykonać konwencjonalnymi metodami.

Co więcej, wykorzystanie ceramiki zyskuje na znaczeniu w zastosowaniach, w których właściwości ścierne są tak istotne ze względu na ich wysoką twardość i niski współczynnik tarcia. Jest to niezbędne w branżach takich jak produkcja i górnictwo, gdzie ceramiczne wykładziny i dysze mogą zwiększyć trwałość sprzętu i zminimalizować koszty napraw.

Wykorzystując zaawansowane technologie ceramicznego druku 3D, produkowane są złożone części o skomplikowanej geometrii i ścisłej kontroli wymiarów, aby zapewnić wysoką wydajność w agresywnych warunkach pracy.

Kompozyty

Wysokowydajne materiały, takie jak CFRP, stają się bardzo popularne i wpływają na sposób drukowania 3D, ponieważ zapewniają zwiększoną wydajność. wytrzymałość i sztywność i niską wagę. Kompozyty z włókna węglowego są najbardziej cenione ze względu na ich wytrzymałość na rozciąganie i sztywność, a zatem mają duże zapotrzebowanie w zastosowaniach, w których wymagane są materiały o wysokiej wytrzymałości i lekkości, takie jak przemysł lotniczy, motoryzacyjny i sportowy.

Zastosowanie włókien węglowych w matrycy polimerowej może umożliwić tworzenie komponentów, których wytrzymałość jest zwiększona, a ich waga jest zmniejszona w porównaniu do konwencjonalnych materiałów.

Ponadto integracja kompozytów w druku 3D umożliwia projektowanie struktur o niekonwencjonalnych geometriach, co nie jest możliwe przy użyciu innych technik. Te materiały kompozytowe są następnie przetwarzane poprzez modelowanie osadzania topionego (FDM) z płaską linią / wstęgą z włókna węglowego lub innym podejściem kompozytowym z dalszą kontrolą i kierunkiem nad kierunkowym charakterem tych wyrównanych włókien.

Porównanie właściwości materiałów

Inżynieryjne zastosowania materiałów do druku 3D

Polimery: Wszechstronne materiały do prototypowania i produktów konsumenckich

Polimery są niezbędne w druku 3D, zwłaszcza w prototypowaniu, produktach konsumenckich i edukacji. PLA (kwas polimlekowy) jest jednym z najczęściej używanych materiałów ze względu na jego niedrogą naturę, dużą szybkość drukowania i przyjazność dla środowiska, a także błyszczącą, gładką powierzchnię, która jest szczególnie dobra dla modeli geometrycznych i części nie nadających się do użytku.

Z drugiej strony, nylon jest wykorzystywany do produkcji części, które muszą być elastyczne i wytrzymałe, i jest stosowany w mechanizmach, zawiasach, kołach zębatych i innych częściach wymuszonych. Ze względu na swoją wytrzymałość i odporność na uderzenia, materiał nylonowy może być wykorzystywany do zastosowań wyższego poziomu i jako przejście od modelu do poziomu produkcji w kilku sektorach.

Metale: Materiały o wysokiej wytrzymałości do zastosowań przemysłowych

Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości, metale są niezbędne w różnych branżach, takich jak lotnictwo, motoryzacja i urządzenia medyczne. Jest wszechstronny ze względu na swoją lekkość i wysoką wytrzymałość, dzięki czemu nadaje się do produkcji części samolotów lub sprzętu chirurgicznego. Stal nierdzewna jest wybierana ze względu na jej odporność na zużycie, a także odporność na rdzę, co czyni ją najlepszą opcją do stosowania w częściach samochodowych, a nawet instrumentach medycznych, gdzie niezawodność jest niezbędna, a komponenty mogą być narażone na trudne warunki przez długi czas.

Metale te ułatwiają tworzenie skomplikowanych i niezawodnych części o kluczowym znaczeniu w nowoczesnych procesach inżynieryjnych i produkcyjnych.

Ceramika: materiały odporne na wysokie temperatury i zużycie

Wykorzystuje się je w zastosowaniach wymagających wysokiej wytrzymałości i stabilności termicznej, takich jak łopatki turbin w lotnictwie lub części odporne na wysokie temperatury w wielu dziedzinach. Oferują również bardzo wysoką i stabilną wydajność w wysokich temperaturach, co ma zastosowanie w zastosowaniach biomedycznych, zapewniając trwałe i odpowiednie implanty do tkanek ciała.

Takie właściwości pomagają ceramice wytrzymać różne warunki dzięki ich niezawodności w zastosowaniach przemysłowych i medycznych.

Kompozyty: Lekkie i wytrzymałe materiały

Zastosowanie kompozytów jest odpowiednie w przypadkach, w których wytrzymałość i waga materiału są interesujące, na przykład część drona lub artykuły uważane za materiały sportowe. Materiały te, takie jak polimery wzmocnione włóknem węglowym, mają wysoką wytrzymałość na rozciąganie i są lekkie, dzięki czemu nadają się do stosowania w komponentach wymagających dużej wytrzymałości i łatwości manewrowania.

W tych obszarach zastosowanie kompozytów zwiększa wydajność i efektywność bez ponoszenia ryzyka związanego z obniżeniem wytrzymałości.

Przyszłe trendy w materiałach do druku 3D

Wraz z dalszym rozwojem technologii druku 3D, spodziewany jest znaczny postęp w zakresie materiałów wykorzystywanych do produkcji addytywnej. Biokompatybilność i przyjazność dla środowiska to dwa ważne trendy, ponieważ materiał elektrody może być zarówno biokompatybilny, jak i przyjazny dla środowiska. W miarę jak uwaga przesuwa się w kierunku wrażliwości środowiskowej, rozwija się trend w kierunku materiałów, które oferują dobrą wydajność, ale są przyjazne dla środowiska. Materiały te będą pomocne w sektorach medycznych, gdzie biokompatybilne polimery i metale będą wykorzystywane do implantów i sztucznych kończyn, zmniejszając wpływ na środowisko bez uszczerbku dla standardów medycznych.

Ponadto uważa się, że postęp w dziedzinie mieszanek materiałów i kompozytów zwiększy potencjał produkcji addytywnej. Kolejne generacje kompozytów będą miały jeszcze lepsze właściwości mechaniczne, takie jak wysoka wytrzymałość / waga, wysoka elastyczność i odporność na ciepło, co rozszerzy zastosowanie tych technologii na przemysł lotniczy, motoryzacyjny i ogólne towary konsumpcyjne. Integracja polimerów, metali i ceramiki pozwoli na precyzyjne dostosowanie właściwości materiałów do produkcji i otworzy nowe możliwości rozwoju druku 3D w różnych branżach.

Wnioski

Powtarzając, jednym z najbardziej krytycznych czynników każdego projektu produkcji addytywnej jest materiał używany w druku 3D. Każdy materiał ma właściwości, które mogą poprawić, utrudnić lub nawet zmienić wydajność, żywotność i jakość produktu końcowego. Na przykład tytan i aluminium charakteryzują się wysokim stosunkiem wytrzymałości do masy, co jest pożądane w przemyśle lotniczym i samochodowym, podczas gdy PLA i nylon nadają się odpowiednio do prototypowania i towarów konsumpcyjnych.

W tym celu można porównać właściwości mechaniczne, odporność termiczną i koszt dostępnych materiałów oraz podjąć decyzje zgodnie z potrzebami projektów, które mają na myśli producenci. Proces ten nie tylko poprawia funkcjonalność i niezawodność produktu końcowego, ale także zmniejsza koszty procesu lub linii produkcyjnej.