Обзор композитных материалов на основе PLA

Добрый день, уважаемый читатель!

Как-то в чате я обмолвился, что работаю с композитными полимерными материалами, и меня сразу же спросили что же это за зверь и с чем его едят.

Поплутав на просторах рунета я так и не нашел статей, которые более менее раскрывали бы суть композитных полимерных материалов. Поэтому я и решил написать эту обзорную статью, которая даст представление о том, что же такое композиты, их основные виды и отличия. Также мне хотелось бы показать как всё-таки выглядят наполнители композитных материалов, да и сами эти материалы под микроскопом.В данной статье речь пойдёт о композитах на основе PLA:

• PLA с металлическими наполнителями
• PLA с деревянными наполнителями
• PLA с углеродными наполнителями
  
  

Что такое композитные материалы?

Композитные материалы - это многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, и обладающие высокой прочностью, жесткостью и т.д.

На фотографиях ниже представлено то, как выглядит поверхность образцов под микроскопом, а также как выглядят сами наполнители.

Микрофотографии наполнителей:

1) порошок бронзы;

2) порошок меди;

3) порошок карбонильного железа;

4) древесная мука

Микрофотографии поверхности образцов:

1) PLA+10 вес.% бронза;

2) PLA+0,5 вес.% Углеродные Нано Трубки;

3) PLA+30 вес.% бронза;

4) PLA+30 вес.% медь

PLA с металлическими наполнителями

PLA c металлическими наполнителями получил широкий охват рынка: в данный момент многие производители предлагают композитные материалы с различными металлами.

Что же такое композитный PLA? Это полимерный композитный материал, имеющий полилактидную матрицу и различные металлические наполнители с диапазоном наполнения от 5-40% от массового объёма.

На сегодняшний день это:

PLA с медьюPLA с латуньюPLA с бронзойPLA со стальюPLA с железомPLA с деревянными наполнителями - WOOD PLA

Как правило, WOOD состоит из около 70% PLA и 30% древесного волокна. Из-за добавленной древесины он имеет тенденцию быть более хрупким, по сравнению с обычным PLA, и ломается намного легче.Ранние композитные материалы были сделаны из опилок, но напечатанные модели по своему внешнему виду были больше похожи на картон, чем на древесину. Преимущество данного материала заключалось в его большей гибкости из-за использования новых технологий изготовления и более длинных древесных волокон. Объекты, напечатанные Wood PLA, будут выглядеть, пахнуть и обрабатываться подобно древесине.В зависимости от производителя, а также используемых им древесных волокон, можно найти материалы с различными наполнителями: бамбук, берёза, кедр, пробковое дерево, олива, сосна и кокос.PLA с углеродными наполнителями

В композитном PLA с углеродным волокном используют наноразмерные углеродные волокна, которые вводятся в основной материал для улучшения его свойств. Эти волокна чрезвычайно прочны и приводят к увеличению прочности и жесткости нити.

Микрофотографии наполнителей:

а) технический углерод;

б) однородные углеродные нанотрубки

Сканирующая электронная микроскопия:

а) PLA/Графит;

б) PLA/Графит/Углеродные нанотрубки

Детали из этого композита будут намного легче и более стабильными по размерам, так как волокна предотвратят усадку детали по мере ее охлаждения. Настройки печати, такие как температура печати, скорость, адгезия к слою и скорости экструзии, очень похожи на настройки для печати основным материалом, к которому были добавлены волокна (например, стандартные настройки PLA).

а) подложка;

б) охлаждающий радиатор

Прототип истребителя:В заключении

Потенциал композитных материалов для 3D-печати очень высок. Их можно применять при создании предметов интерьера и декора, различной атрибутики для имитации металлов, элементов костюмов и одежды (накладки, пуговицы, значки), корпусов ручек и накладок, бюстов и статуй, а также для различных украшений. Композиты с углеродным наполнением отлично подойдут для авиамоделирования, а также для производства прототипов, в которых необходимо совместить прочность и лёгкость.

Техническая сводка

Так как данные материалы созданы на основе PLA, к ним применимы все настройки и условия печати для PLA. В случае с композитами, содержащими металлические компоненты, температурные режимы могут оказаться ниже, чем для чистого материала, что связано с теплопроводностью наполнителей.

Для печати данными композитами рекомендуется применять стальные сопла из-за того, что материал наполнен наночастицами. Данные частицы оказывают внутреннее воздействие на сопло, растачивая его во время печати.

Например, композит с железом расточил латунное сопло диаметром 0.4 мм до диаметра 0.65 мм всего за 300 грамм израсходованного материала.

Ссылки на источники:

https://www.proto-pasta.com/ - по ссылке можно найти большинство перечисленных материалов из статьи, а также их технические характеристики. Все изображения взяты с данного сайта.

https://www.simplify3d.com/support/materials-guide/carbon-fiber-filled/ - по ссылке можно найти пластик с углеродным наполнением, рекомендуемые температурные параметры и настройки печати для данного пластика.