Промышленные пластики для 3D печати (FDM): физико-механические характеристики, эксплуатационные свойства, области применения

Всех приветствую!

В предыдущей статье я затронул тему FDM материалов и оборудования для промышленной 3D печати. В продолжение хотелось бы также обсудить некоторые важные характеристики данных материалов и наиболее эффективные области их применения. Надеюсь, данная обобщенная информация будет полезна при первичном выборе того или иного типа пластика по функциональному назначению будущего изделия. 

Полимерные материалы для аддитивного промышленного производства методом FDM:

Технология моделирования трехмерных объектов методом наплавления (FDM) обеспечивает широкую универсальность, высокую точность и позволяет трансформировать 3D файлы из CAD в реальные прочные детали. Изделия, полученные по FDM технологии обладают надлежащей прочностью, жесткостью и комплексом физико-механических свойств актуальных для использования изготавливаемых из них изделий в качестве концептуальных моделей будущей продукции, функциональных прототипов, производственного инструмента и ответственных деталей промышленного назначения. 

Когда специалистам, работающим в области быстрого прототипирования и аддитивного производства, предлагают назвать наиболее важные параметры используемой технологии, на первом месте, как правило, оказываются свойства материала детали. Физико-механические характеристики изготавливаемых изделий являются главнейшим критерием при выборе метода изготовления: они определяют финишное качество детали, а также возможность ее использования для решения тех или иных прикладных задач.

Ниже, на примере FDM материалов Stratasys, приводятся наиболее важные при выборе материала по функциональному назначению физико-механические характеристики промышленных пластиков (для наглядности в качестве отправной точки сравнения на шкале характеристик выбран ABS как материал наиболее широко известный и, пожалуй, самый универсальный в применении).

В FDM для производства изделий используются как наиболее распространенные термопласты общего и инженерного назначения (ABS, ASA, PC и их смеси, NYLON), так и уникальные конструкционные материалы - ULTEM, PPSF, NYLON CF, PEKK, имеющие важное значения для аэрокосмической отрасли, медицины, автомобильной промышленности, производства электроники и иных специализированных сфер применения. В случае же, когда 3D печать используется для аддитивного производства конечной продукции, применение FDM и соответствующих термопластов еще более важно, а зачастую бывает единственно возможным вариантом. 

На данный момент, FDM технология - единственная (за исключением SLS) из множества методов 3D печати, позволяющая изготавливать детали из реальных (не имитационных) пластиков инженерного класса, которые могут выдерживать высокую температуру, воздействие вредных химических веществ, стерилизацию и интенсивные механические нагрузки, при этом сам процесс во многом идентичен одному из самых массовых промышленных методов переработки пластмасс - экструзии. При этом она отвечает таким значимым критериям, определяющим итоговое качество изделий:

1. Стабильность эксплуатационных свойств;

2. Точность изготовления и геометрическая стабильность;

3. Возможность крупногабаритной печати цельных изделий;

4. Высокая детализация для множества применений в различных сферах и отраслях промышленности;

5. Возможность печати с растворимыми поддержками - минимум постобработки;

6. Высокая вариабельность производительности процесса изготовления (фильеры/слои/заполнение);

7. Хорошая обрабатываемость поверхности (шлифование, механодоработка, окраска и т.п.)

Эффективные сферы применения промышленных пластиков FDM:

Дизайн: поиск формы, концептуальное моделирование, скоростная проработка вариантов, первичная визуализация идей, кастомизация и изготовление всевозможных предметов быта, сувениров, игрушек, украшений и аксессуаров, косплей

Рекомендуемые материалы: ABS

Быстрое прототипирование: отработка технологичности изделий, проверка стыкуемости и сборки узлов, агрегатов, значительное снижение сроков и затрат на разработку новой продукции 

Рекомендуемые материалы: ABS, ASA, PC-ABS, PC, Nylon 12 

Техническая подготовка производства: изготовление инструментов, приспособлений, элементов формообразующей оснастки по высоко-точным мастер-моделям (литье, гальванопластика, напыление, электроэрозионная обработка)

Рекомендуемые материалы: PC-ABS, PC, Nylon 12, ULTEM 9085, ULTEM 1010

Инженерный анализ: тестирование функциональных прототипов, моделирование и оптимизация эксплуатационных свойств будущей продукции, проведение аэро- и гидродинамических испытаний

Рекомендуемые материалы: ABS, ABS-ESD, ASA, PC-ABS, PC, Nylon12

Промышленность: аддитивное производство деталей сложной формы с заложенным комплексом функциональных свойств и эксплуатационных характеристик, кастомизация производства, запасные части

Рекомендуемые материалы: ABS, ABS-ESD, ASA, PC-ABS,  PC, Nylon12, PPSF, ULTEM 9085, ULTEM 1010 

Специальное производство: единичное / опытное / мелкосерийное производство, литье по выжигаемым или выплавляемым мастер-моделям, вакуумное литье в силиконовые формы 

Рекомендуемые материалы: ABS, ABS-ESD, ASA, PC-ABS, PC, Nylon12 CF, ULTEM 9085, ULTEM 1010

Медицина: проведение медицинских, биологических исследований, создание медицинской техники

и инструментов, изготовление хирургических шаблонов, ортезов, протезов, цифровая стоматология

Рекомендуемые материалы: PLA, биосовместимый ABS, биосовместимый PC, ULTEM 1010

Пищевая промышленность: штампы, высечки, формочки, оснастка для контакта с пищевыми ингредиентами

Рекомендуемые материалы: PLA, ULTEM 1010

Наука и образование: проведение физико-механических, аэро-, гидродинамических испытаний, визуализация инженерных принципов и фундаментальных закономерностей

Рекомендуемые материалы: PLA, ABS, ASA 

Архитектура и строительство: создание и детальная проработка макетов строительных объектов, сооружений, разработка и анализ топографических планов

Рекомендуемые материалы: PLA, ABS, ASA

Культура и искусство: киноиндустрия, театральный реквизит, 3D копии редких ископаемых и исторических объектов, археологические макеты, создание уникальных арт-объектов и инсталляций, изготовление эксклюзивных ювелирных украшений и модных аксессуаров, кастомизированный дизайн обуви и одежды, оригинальные декоративные эффекты

Рекомендуемые материалы: PLA, ABS, биосовместимый ABS, ASA, биосовместимый PC, PC-ABS

Эксплуатационные свойства и применение наиболее используемых промышленных пластиков FDM:

ABS,  акрилонитрилбутадиенстирол

Отличительные свойства:

• ударопрочный жесткий пластик для общеинженерных задач
• хорошая обрабатываемость поверхности, универсальность
• высокая размерная стабильность и чистота поверхности
• поверхность хорошо сглаживается для достижения блеска
• хорошая детализация и проработка мелких элементов
• легкоудаляемый растворимый материал поддержки
• большая цветовая гамма

Применение:

• быстрое прототипирование
• концептуальные модели
• функциональные прототипы
• зажимы и приспособления
• конечные детали и запчасти

биосовместимый ABS

 Отличительные свойства:

• прочный ударостойкий и долговечный пластик
• биосовместимый, имеет медицинский сертификат
• стерилизуется в гамма-излучении или окиси этилена
• размерная стабильность и чистота поверхности
• цвет слоновой кости

Применение:

• компоненты медицинской техники
• медицинский инструмент, зажимы
• медицинские шаблоны, макеты
• стерилизуемые детали
• фармацевтическая упаковка
• функциональные мед.прототипы
• конечные детали и запчасти

антистатический ABS

 Отличительные свойства: 

• специализированный антистатический пластик
• предотвращает образование статического электричества
• рассеивает статический заряд с целевым поверхностным сопротивлением 107 Ом (стандартый диапазон 109-106 Ом)
• хорошая размерная стабильность
• черный цвет

Применение:

• функциональные прототипы
• инструмент для сборки электроники
• антистатическая упаковка
• корпуса и чехлы электроприборов
• устройства хранения, подачи топлива
• конечные детали и запчасти

ASA, акрилонитрилстиролакрилат

 Отличительные свойства:

• прочный атмосферостойкий пластик промышленного уровня
• наилучшая стойкость к УФ-излучению в классе FDM
• хорошие прочностные характеристики и теплостойкость
• высокое эстетическое качество поверхности деталей
• размерная стабильность
• множество цветов

Применение:

• детали уличной инфраструктуры
• наружное освещение и охрана
• функциональные прототипы
• детали и аксессуары автомобилей
• конечные детали и запчасти

PC-ABS, смесь поликарбоната и ABS

Отличительные свойства:

• отличное сочетание физико-механических характеристик
• наилучшая ударная прочность в классе материалов FDM
• хорошая термостойкость
• размерная стабильность и чистота поверхности
• черный цвет

Применение:

• функциональные прототипы
• детали и аксессуары автомобилей
• электроника и телекоммуникации
• производственные инструменты
• технические приспособления, зажимы
• конечные детали и запчасти

PC, поликарбонат

Отличительные свойства:

• высокопрочный пластик 
• применяется для ответственных инженерных задач
• обеспечивает высокую термостойкость и долговечность
• гарантирует точность и стабильность размеров
• белый цвет

Применение:

• прототипы для ответственных задач
• инструменты, крепежные элементы
• техоснастка для выкладки композитов
• оснастка для вакуумной формовки
• зажимы и приспособления
• шаблоны для гибки металлов
• долговечные конечные детали

биосовместимый PC

Отличительные свойства:

• высокопрочный пластик
• биосовместимый, имеет медицинскую сертификацию
• стерилизуется в гамма-излучении или окиси этилена
• обеспечивает высокую термостойкость и долговечность
• для деталей с точной и стабильной геометрией
• белый и прозрачный цвета

Применение:

• детали медицинского оборудования
• медицинский инструмент, зажимы
• упаковка лекарственных препаратов
• оснастка для вакуумной формовки
• детали пищевой промышленности
• долговечные конечные детали

Nylon 12, полиамид 12

 Отличительные свойства:

• прочный износостойкий ПА12
• высочайшая ударная прочность
• высокая химическая стойкость
• точность, размерная стабильность
• чистота и удобство работы с полиамидом
• черный цвет
• имеется углероднаполенный вариант CF

Применение:

• прочные функциональные прототипы
• вставки для прессования, оснастка
• крепежные элементы, защелки, ручки
• шестерни, элементы передач
• специальный инструмент
• износостойкие высокопрочные детали

ULTEM 9085, полиэфиримид 9085 (SABIC) 

Отличительные свойства:

• конструкционный огнестойкий пластик
• сертификат FST (на горение, выделение дыма, токсичность)
• высочайшая прочность на разрыв и изгиб
• высокая термо- и химическая стойкость, ударостойкость
• размерная стабильность и долговечность
• цвета желто-коричневый и черный

Применение:

• аэрокосмические компоненты
• детали средств транспортировки
• детали автомобильной техники
• специальная тара и упаковка
• корпуса, воздуховоды, патрубки
• термостойкие износостойкие детали

ULTEM 1010, полиэфиримид 1010 (SABIC)

Отличительные свойства:

• наивысшая прочность и термостойкость в классе FDM
• биосовместимый, имеет медицинский сертификат
• имеет сертификат пищевой безопасности 
• возможность температурной стерилизации в автоклаве
• обеспечивает стабильность размеров и долговечность
• цвет темно-коричневый

Применение:

• аэрокосмические компоненты
• медицинская техника и инструмент
• детали автомобилей и транспорта
• термостойкие штампы, высечки, оснастка для пищевой промышленности
• специальная тара и упаковка
• корпуса, воздуховоды, патрубки
• термостойкие износостойкие детали

PEKK, полиэфиркетонкетон

Отличительные свойства: 

• новейший конструкционный пластик
• высокая прочность, ударная стойкость, износоустойчивый
• высокая термостойкость
• низкая дегазация
• высокая химическая стойкость
• обеспечивает стабильность размеров и долговечность
• цвет желто-коричневый

Применение:

• аэрокосмические компоненты
• ответственные детали систем транспортировки
• детали, стойкие к ракетному топливу, маслам, гидравлическим жидкостям
• специальная тара и упаковка
• корпуса, воздуховоды, патрубки
• термостойкие износостойкие детали

________________________________________________________________

В заключение, хотелось бы отметить, что FDM технология находит все более активное применение в промышленности, дизайне, архитектуре, медицине, образовании, уже, практически, во все областях деятельности человека. Благодаря многократному сокращению времени и издержек на создание новой продукции - в несколько раз, в ряде случаев - в десятки раз, она становится неотъемлемой частью процессов материального производства. Будем надеяться, что по аналогии с настольной 3D печатью, промышленное FDM оборудование и материалы в ближайшее время станут намного доступнее для самых различных предприятий.