Обзор расходных материалов для персональных 3d-принтеров

Для работы в домашних условиях подходят трехмерные принтеры, печатающие пластиками по технологии FDM или фотополимерными смолами методом LCD. Рассмотрим виды и характеристики расходных материалов для персональных 3D-принтеров.

Материалы для домашней FDM-печати

Для создания трехмерных объектов по технологии FDM используют специальные термопластики – филаменты в виде нитей на катушках, которые условно делятся на следующие категории:

1. Базовые – различные виды пластиков, от мягких и гибких до жестких и очень крепких. По своим физико-химическим свойствам подходят для применения во многих отраслях. Ложатся в основу производства специализированных пластиков с разными уникальными свойствами. Бывают инженерными (промышленными) и партикулярными (универсальными, широкого применения). Универсальные филаменты экологичны и безопасны, подходят для печати на большинстве FDM-принтеров, хорошо держат форму, легко поддаются обработке и окрашиванию.
2. Вспомогательные – филаменты, предназначенные для печати поддержек для нависающих частей вторым экструдером. Также используются для изготовления растворимых или выплавляемых форм.
3. Декоративные – пластики с дополнительными примесями или изготовленные из специальных веществ, придающих им уникальные цветовые, прозрачные или текстурные свойства.

Пластики для печати 3D-моделей также делятся на низко- и высокотемпературные. Первые совместимы с хотэндом любого FDM-принтера, а вторые требуют применения экструдера с цельнометаллическим хотэндом, у которого нет тефлоновой трубки в термобарьере.

Рассмотрим наиболее распространенные виды универсальных пластиков для трехмерной печати в домашних условиях.

PLA (полилактид, полимер молочной кислоты)

Биоразлагаемый термопластичный полиэфир растительного происхождения. Производится из сахарного тростника или кукурузы, поэтому нетоксичен и экологичен, но плохо переносит механические нагрузки, повышенную температуру, агрессивное воздействие окружающей среды и контакт с химическими едкими жидкостями, относительно недолговечен. Плавится при невысокой температуре. Легко портится при повышенной влажности. Разлагается после долгого пребывания на солнце. Свойства полимера зависят от уровня содержания молочной кислоты.

PLA предъявляет низкие требования к печатному оборудованию и прост в использовании. Подходит для изготовления детских игрушек, сувениров, одноразовой посуды, пищевой упаковки, различной тары, пакетов и других изделий с коротким сроком службы. Распечатанные предметы имеют ровную, гладкую, скользящую поверхность.

Одна из разновидностей PLA – Laywood (древесно-полимерный композит). Это нетоксичный пластик с содержанием 40% древесины, позволяющий создавать предметы с прекрасными декоративными свойствами и красивой древесной фактурой. Материал имеет почти нулевую усадку.

ABS (акрилонитрил бутадиен стирол)

Ударопрочный, износостойкий, влагостойкий, долговечный пластик, восприимчивый к солнечным лучам. Хорошо поддается шлифовке, механической обработке, покраске. Обычно непрозрачен, легко окрашивается в любые цвета. Подходит для нанесения гальванического покрытия, спайки контактов, вакуумной металлизации, точного литья, сварки. ABS устойчив к кислотам, щелочам, жирам, углеводороду, смазкам, но хорошо растворяется в бензоле, ацетоне, анилине, эфире, этиленхлориде, этилхлориде и анизоле, имеет низкий уровень электроизоляции.

При нагревании материал выделяет специфический запах и небольшое количество вредных веществ, поэтому требует организации хорошей вентиляции в помещении. Отличается низкой адгезией, что повышает требования к выбору клея. В качестве связующего лучше всего использовать дихлорметан или клеи на основе ацетона.

Для работы с этим материалом требуется много тепла, поэтому для снижения термоусадки ABS используют 3D-принтеры с закрытой рабочей камерой. Основной недостаток материала – большая усадка при печати и после, риск деформации при охлаждении. По этой причине ABS не используется для печати геометрически сложных объектов с мелкой детализацией.

Характеристики ABS:

• температура размягчения – от 95 до 117 градусов;
• температура стеклования – около 105 градусов;
• плотность – около 1,05 гр./куб. см;
• прочность на разрыв/изгиб – 22 и 41 МПа соответственно;
• модуль упругости при растяжении – 1627 МПа;
• относительное удлинение – 6%;
• усадка при охлаждении – до 0,8%.

Фактические физико-химические свойства ABS зависят от спецификаций изготовителя.

Нейлон (синтетический полиамид)

Высокотемпературный, прочный, износоустойчивый, гибкий пластиковый филамент без вредных примесей, который плавится при высоких температурах. Сложно поддается обработке, имеет высокий коэффициент скольжения. Сохраняет геометрию при нагревании и трении. Подходит для изготовления механизмов, втулок, шестеренок. Нейлоновые филаменты гигроскопичны и способны впитать до 10% влаги от своего веса за 24 часа. Поэтому должны храниться в герметичной таре с силикагелем и просушиваться перед применением.

Пластики из нейлона удобны в использовании, обеспечивают прочное сцепление слоев и высокое качество поверхности. Подходят для печати небольших и средних моделей, желательно с минимальным количеством поддержек, которые из-за усадки материала имеют повышенную склонность к излому. Оптимальный размер площади прилипания для каждой стороны изделия - 10 см. Минусы филаментов из нейлона – долгое застывание и сильная усадка.

Требования к 3D-печати: рабочая платформа с подогревом 100-120 градусов, закрытая термокамера (желательно), цельнометаллический хотэнд, температура плавления – 260-290 градусов.

PET, PETG, PETT

PET (полиэтилентерефталат) - прочный, стабильный материал с низким тепловым расширением, широко используемый в пищевой и многих других отраслях промышленности. PET сочетает в себе такие качества, как жесткость, стойкость к воздействию высоких температур и агрессивных химических веществ, износостойкость, низкий коэффициент трения, нерастворимость в воде. Данный вид пластика безопасен для контакта с пищевыми продуктами, легко поддается механической обработке и лакировке.

PETG (полиэтилентерефталат-гликоль) – безопасный, долговечный пластик с повышенной жесткостью и низкой температурой плавления, подходящий для печати посуды и других предметов, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами. Материал также подходит для печати корпусов для электрооборудования и других изделий, подверженных внезапному или постоянному напряжению (защитных компонентов, механических деталей и т.д.). Готовые модели необходимо обработать пищевой эпоксидной смолой перед контактом с продуктами питания. PETG доступен в разных расцветках. Он ударопрочен, прост в обработке, выдерживает нагрев до +75 градусов, хорошо блокирует влагу, устойчив к УФ-лучам и многим химическим реагентам. Благодаря высокой адгезии материал не расслаивается и не деформируется в процессе 3D-печати.

PETT (полиэтиленметилентерефталат) – прозрачный, жесткий пластик с отличными механическими свойствами, являющийся еще одной разновидностью PET. Материал имеет более высокую прочность и жесткость в сравнении с PETG, отличается низкой усадкой, безопасен для пищевых продуктов.

PC (поликарбонат)

Высокопрочный, износостойкий пластиковый филамент с повышенной термостойкостью и высоким сопротивлением физическим воздействиям. Это прозрачный, гибкий, легко гнущийся и не деформирующийся материал, выдерживающие нагрев до 110 градусов. Подходит для изготовления широкого спектра бытовых и производственных объектов.

PVA (поливиниловый спирт, поливинилацетат, ПВА)

Биоразлагаемый материал, хорошо растворимый в воде комнатной температуры. Производится из этиленового газа, этилового спирта или нефтепродуктов. Нетоксичен, безопасен для здоровья. Обычно применяется в качестве разделителя при печати составных деталей у принтеров с двумя экструдерами. К примеру, при изготовлении гайки с болтом PVA помогает разделить детали, чтобы после печати гайка свободно крутилась на болте. Этот вид пластика также используется для печати поддержек при производстве моделей со сложной геометрией.

Другие характеристики PVA:

• температура экструзии – около 170-190 градусов;
• температура застывания – 45-55 градусов;
• гигроскопичность, активное поглощение влаги из воздуха (материал нужно хранить в вакуумной упаковке и при необходимости сушить перед использованием);
• высокая прочность на разрыв (при низком уровне влажности);
• высокая эластичность (при повышении уровня влажности).

HIPS

HIPS (High Impact PolyStyrene, сополимер стирола с бутадиеновым каучуком, полистирол) – гибкий, экономичный, ударопрочный пластиковый филамент. Материал отличается жесткостью, влагонепроницаемостью, стойкостью к воздействию щелочей и кислот, безопасностью для пищевых продуктов. Он легко поддается термоформованию, шлифовке, полировке, окраске и сохраняет свои механические свойства даже при многократном плавлении и отвердевании.

Одновременно с этим, HIPS является достаточно хрупким материалом, что ограничивает сферу его применения. В частности, его можно использовать для создания декоративных изделий (статуэток, ваз и т.п.), деталей и предметов, находящихся на открытом воздухе и под прямыми солнечными лучами: цветочных горшков, дверных ручек, плафонов и других изделий, не подверженных значительным механическим нагрузкам. При правильном расчете параметров модели полистирол также можно использовать для изготовления функциональных изделий, например, элементов, работающих при высоких температурах (до 100 градусов): крепежей в салоне авто, корпусов приборов, кронштейнов приборов отопления, ручек кранов горячей воды и др.

HIPS почти полностью аналогичен пластику ABS. Их единственное отличие друг от друга – ABS не растворяется в лимонене, а полистирол растворяется. По этой причине HIPS часто применяют для создания легкоудаляемых поддержек при печати сложных деталей из ABS: оба материала хорошо схватываются и легко отделяются друг от друга, что позволяет без труда удалять поддержки с готовой детали вручную или с помощью растворителя.

Расходные материалы для печати фотополимерными смолами в домашних условиях

Персональные 3D-принтеры, использующие технологию LCD или другой метод печати на основе светового излучения, создают трехмерные объекты с помощью жидких фотополимерных смол. Отличительная черта всех фотополимеров – затвердевание под воздействием УФ-излучения или лазера. Готовые детали требуется отмывать после печати в растворителе (спирте) и сушить ультрафиолетовой лампой по полного застывания.

Фотополимерные смолы универсальны, удобны в использовании и имеют широкую область применения. В зависимости от вида фотополимера, предметы из него обладают определенным набором механических и физико-химических свойств: жесткостью, эластичностью, ударопрочностью и т.д.

Преимущества использования фотополимерных смол:

• высокое качество – из фотополимеров получаются идеально гладкие, максимально детализированные объекты любой геометрии, полностью соответствующие цифровому прототипу;
• стабильность – готовые модели обладают отличными механическими и физическими свойствами;
• точность – предметы, напечатанные на фотополимерном домашнем принтере, могут иметь очень тонкие элементы;
• простая обработка – модели легко шлифуются, склеиваются, окрашиваются и поддаются другим видам обработки;
• малый расход материала.

Виды фотополимеров для персональных 3D-принтеров

Бытовые фотополимерные смолы различаются по физическим свойствам и условно делятся на несколько видов:

1. Стандартные – подходят для производства декоративных объектов (миниатюр, фигурок, сувениров и т.п.), мастер-моделей, прототипов или макетов. Детали получаются прочными и твердыми, но не подходят для использования в условиях повышенных механических нагрузок. Стандартные смолы бывают прозрачными или цветными, а также предназначенными для промывания в спирте или обычной воде (washable, для использования дома или в учебных заведениях). Имеют невысокую стоимость, быстро отвердевают, обеспечивают хорошую детализацию.
2. Инженерные – смолы для изготовления функциональных прототипов или инженерных моделей с отличными физическими параметрами. Бывают твердыми, усиленными, термостойкими. Твердые устойчивы к деформациям и большим нагрузкам, подходят для создания защелкивающихся частей, соединений, механических узлов, зажимов, оснастки и др. Усиленные - ударопрочные, термостойкие, износостойкие и гибкие смолы (по типу резиновых или силиконовых). Они прочны и устойчивы к разрывам, поэтому пригодны для изготовления креплений, подвижных элементов с низким коэффициентом трения, шаровых шарниров, прототипов потребительских продуктов и т.п. Термостойкие фотополимеры используются для производства деталей, работающих при высоких температурах (до 200 градусов): прототипов пресс-форм, инструментов для термоформования и т.п. Также выпускаются специальные фотополимерные смолы для решения конкретных задач.
3. Литьевые – составы с низким показателем зольности (выгорают без остатка). Предназначены для распечатки объектов с гладкой поверхностью и мелкой детализацией (литьевых форм, ювелирных изделий, сувениров).

Итоги

В продаже представлено множество расходных материалов для домашних 3D-принтеров, использующих технологию послойного плавления пластикового филамента или выборочной засветки фотополимерной смолы. Большой выбор расходников с различными характеристиками делает трехмерные персональные принтеры универсальными инструментами для изготовления продуктов разного назначения и незаменимым оборудованием для небольших домашних мастерских.