Серьезные задачи требуют серьезных материалов, и сегодня мы расскажем про некоторые из инженерных термопластов и композитов, используемых в экструзионной 3D-печати и доступных в нашем магазине.
Определение инженерных пластиков довольно размыто, но обычно неофициально к этой категории причисляют полимеры, рассчитанные на активную эксплуатацию под механическими нагрузками и с теплостойкостью не менее 100°С. Химическая стойкость тоже нередко играет важную роль, например при контакте с горюче-смазочными материалами.
Если исходить из этого определения, полилактид (PLA) и полиэтилентерефталатгликоль (PETG) отметаем сразу, хотя в среде любительской 3D-печати это одни из самых популярных материалов. Оба очень просты в обращении, не требуя дорогих, хорошо оснащенных 3D-принтеров, но физико-механические характеристики далеки до «инженерного» уровня».
Аквариумное крепление из полиэтилентерефталатгликоля (REC Relax)
Особенно это касается полилактида как хрупкого и весьма легкоплавкого полимера с температурой размягчения где-то в районе 60°С, недостаточной даже для пребывания на солнце жарким летним днем. С PETG обстоят лучше: он гораздо прочнее, особенно при ударных нагрузках, и держит продолжительные эксплуатационные температуры до 70-80°С, но все же до инженерного пластика не дотягивает.
Это вовсе не означает, что такие материалы бесполезны. Ценовая доступность, простота 3D-печати и нетокcичность — уже важные факторы, да и с практическим применением все хорошо: из PLA и PETG делают всякую всячину, начиная с игрушек и заканчивая вполне себе механическими деталями, только не промышленного уровня. PLA к тому же отлично подходит для 3D-печати выжигаемых литейных мастер-моделей, а PETG в комбинации со стекловолоконным наполнителем дает недорогой и прочный композит, как наш REC rPETG.
Деталь из тугоплавкого конструкционного термопласта полиэфирэфиркетона (PEEK)
На другом конце спектра материалы, именуемые тугоплавкими конструкционными термопластами. Название длинное и серьезное, но и полимеры нешуточные — как по цене, так и по характеристикам, что вполне взаимосвязано. Сюда можно отнести, например, полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиримид (PEI 9085, Ultem), полисульфон (PSU), плюс более известные и привычные нейлоны и поликарбонаты. Что еще интереснее, практически любые полимеры, включая перечисленные тугоплавкие варианты, можно дополнительно армировать стеклянными, углеродными или даже арамидными волокнами, получая еще более интересные материалы, но уже композиционные.
1. Полиэфирэфиркетон (PEEK, ПЭЭК)
Нет, название этого термопласта — не результат заикания или залипающей клавиатуры. Полиэфирэфиркетон называется так потому, что содержит две эфирные и одну кетонную группу. Это подсказывает, что бывают и другие варианты. Так и есть: PEEK относится к семейству, называемому полиарилэфиркетонами или ароматическими полиэфиркетонами. Помимо PEEK сюда входят полиэфиркетонкетон (PEKK) и просто полиэфиркетон (PEK). Известный химический концерн BASF даже какое-то время выпускал полиэфиркетонэфиркетонкетон (PEKEKK). Мы этот материал не предлагаем, так как не можем выговорить название, но PEEK у нас есть.
Все они достаточно близки по свойствам, но самый распространенный вариант — как раз PEEK. Этот полимер крайне термостоек, выдерживая продолжительную эксплуатацию при температурах до 275°С, да к тому же негорюч. Добавьте сюда стойкость к большинству растворителей, за исключением концентрированных серных и азотных кислот, плюс превосходные диэлектрические свойства, и получается весьма привлекательный инженерный материал.
Высокая прочность и ударная стойкость PEEK напрямую связаны с его полукристаллической структурой, но она же создает довольно серьезные сложности при 3D-печати. Дело в том, что одного лишь нагревания до 400°С для стабильной экструзии недостаточно, материал нужно еще и правильно, медленно охлаждать после построения детали, а иногда и отжигать (повторно нагревать), иначе в процессе рекристаллизации часть прочности может быть утеряна. Подробнее про 3D-печать полиэфирэфиркетоном и требуемое оборудование рассказывается в отдельной статье.
Благодаря отличному сочетанию физических и химических свойств PEEK используют в производстве самых разных нагруженных деталей, включая элементы несущих конструкций, подшипники, поршни, клапаны, и прочая. В целом этот материал рассматривается как полимерная альтернатива легким сплавам, особенно алюминиевым: при примерно той же массе зачастую можно получать изделия, более близкие по прочности к стальным.
Более того, в чистом виде PEEK еще и бисовместим, благодаря чему нашел применение в пищевой промышленности и даже в медицине в качестве материала для производства эндопротезов, например заплаток для краниопластики. Кстати, наш вариант PEEK тоже имеет сертификат допуска к контакту с пищевыми продуктами.
Полиэфиркетонкетон (PEKK) очень похож на PEEK и тоже применяется в промышленной 3D-печати в тех же целях. От более известного собрата этот вариант отличается несколько более высокой температурой стеклования и более медленной кристаллизацией, что с одной стороны требует более высоких трудо- и энергозатрат, а с другой помогает несколько точнее контролировать рабочие процессы. В остальном PEEK и PEKK аналогичны.
2. Полиэфиримид (PEI 9085, ПЭИ)
Еще один чудо-полимер, зачастую фигурирующий в профильной среде под названием Ultem. Это немного неточно, но в целом понятно, так как Ultem — самый известный бренд разных полиэфиримидов, выпускаемых саудовской химической компанией SABIC.
Полиэфиримид — пожалуй, главный конкурент PEEK, хотя и уступающий по некоторым параметрам. PEI 9085 тоже стоек к гидролизу, горюче-смазочным материалам и многим растворителям, тоже обладает отличными диэлектрическими свойствами и тоже нетоксичен и негорюч, то есть самостоятельно затухает без воздействия открытого пламени.
Теплостойкость PEI 9085 ниже, но это может быть как недостатком, так и преимуществом. Полимер выдерживает продолжительную эксплуатацию при температурах до 175°С и кратковременную при 205°С. С другой стороны, это делает полиэфиримид более простым в обработке, будь-то 3D-печать или литье под давлением. Полиэфиримид хорошо поддается механической обработке, хотя твердый PEEK тоже прекрасно фрезеруется.
Как и PEEK, полиэфиримид широко используется в автомобилестроении, машиностроении, нефтегазовой и химической промышленности, а также в производстве медицинских инструментов и авиационных компонентов. Ultem 9085, например, по прочностным характеристикам схож с алюминиевым сплавом 6061 и ввиду нетоксичности и негорючести сертифицирован Федеральным управлением гражданской авиации США. Как и PEEK, полиэфиримид часто используется в производстве корпусов и креплений электрической техники, так как это прекрасный диэлектрик.
3. Полисульфон
Полисульфон — своего рода альтернатива полиэфиримиду с аналогичным диапазоном эксплуатационных температур и прочностью, но значительно более доступная в ценовом плане. Вытеснить полиэфиримид полисульфону все же не удалось, так как PEI 9085 обладает более высокой химической стойкостью.
Полисульфон подходит для эксплуатации при температурах в диапазоне от -70°С до +175°С, отличается высокой гидролитической стойкостью, выдерживает облучение гамма-радиацией, стоек к горюче-смазочным материалам, неорганическим кислотам, щелочам, но уязвим к ароматическим соединениям, включая бензол, толуол, нафталин и другие.
Материал нетоксичен, а тугоплавкость обеспечивает возможность горячей стерилизации, поэтому полисульфон, как и PEEK c PEI 9085, нередко используют в производстве медицинских инструментов и особенно в пищевой промышленности.
В этом смысле полисульфон даже напоминает тефлон: он позволяет получать антипригарные поверхности, что облегчает чистку, а пищевые контейнеры можно отправлять в микроволновые или конвекционные печи прямо из морозильника, не опасаясь оплавления или растрескивания. На открытый огонь полисульфон все же ставить не стоит: он негорюч и самозатухает, но в то же время недостаточно теплостоек, а потому полноценной альтернативой тефлону служит не может.
4. Поликарбонат
Поликарбонат появился в середине 1950-х в результате исследований немецкой химико-фармацевтической компании Bayer. Это не самый простой в работе материал с довольно высокой усадкой, но обладающий высокой прочностью и неплохой термостойкостью. Этот полимер также бывает доступен в прозрачной форме.
Работать в поликарбонатом нужно аккуратно, не забывая о вентиляции, так как один из компонентов — канцерогенный бисфенол А, который может присутствовать в остаточных количествах. Аналогичным образом стоит остерегаться перегрева полимера во избежание термического разложения.
Благодаря прозрачности поликарбонат нередко используется в качестве альтернативы стеклу, в том числе в оптических системах, однако добиться требуемого качества на экструзионном 3D-принтере будет сложно. Наиболее часто в аддитивной сфере поликарбонат используется в производстве механических деталей и формовочной оснастки.
Недостатки поликарбоната включают уязвимость к ультрафиолетовому излучению и довольно низкая химическая стойкость. В частности, полимер уязвим к ацетону, хотя это может быть полезным свойством, если требуется склеивание или сглаживание поверхностей.
Непосредственно 3D-печать осложняется высокой усадкой, поэтому при работе с поликарбонатом необходимо использовать 3D-принтеры с термокамерами, желательно активно подогреваемыми, а также не забывать про адгезионные средства. При 3D-печати поликарбонатом от REC хотэнд необходимо прогревать до 270-310°С, а столик — до 100-110°С.
Также не забывайте просушивать поликарбонат непосредственно перед 3D-печатью, так как она весьма гигроскопичен. Сушить рекомендуется вообще любые филаменты: даже если полимер не склонен к впитыванию влаги, на поверхности прутка может накопиться роса, а вскипание влаги в хотэнде приведет к разнообразным дефектам. Про хранение и просушивание филаментов читайте в отдельных статьях — здесь и здесь.
5. Полиамиды (нейлоны)
Полиамиды — крайне популярны в силу универсальности, обусловленной удачным сочетанием физико-механических характеристик, химической стойкости, долговечности и доступной цены. Мы предлагаем филаменты из полиамида-6 и полиамида-12, а также специальный материал REC Friction — стеклонаполненный композит на основе нейлона-12 с повышенной прочностью, термо- и износостойкостью.
При 3D-печати полиамиды требуют прогрева хотэнда до 250-270°С, так что особо дорогое оборудование не требуется. Как и поликарбонаты, полиамиды характеризуются высокой усадкой, поэтому обязателен подогрев столика до 100-110°С, а термокамеры крайне желательны. Перед 3D-печатью нейлоновые филаменты обязательно нужно просушивать, так как полиамиды очень активно впитывают влагу.
Эксплуатационные температуры разнятся в зависимости от типа полиамида, но обычно температуры размягчения превышают 190°С. Помимо этого нейлоны обладают высокой химической стойкостью, хотя уязвимы к концентрированным кислотам. Так как это аморфные полимеры, полиамиды демонстрируют гибкость и упругость с отличной ударной стойкостью.
Полиамиды также широко используются в порошковой форме для 3D-печати методом селективного лазерного спекания (SLS). Наше партнерское предприятие 3D Solutions предлагает линейку Printamid, включающую мелкодисперсные порошки из полиамида-11 и полиамида-12, в том числе стеклонаполненные.
6. Композиты
Композиты — последний писк моды в аддитивном производстве. Обычно в этой роли в экструзионной 3D-печати используются разнообразные термопласты со стекло- или углеволоконными наполнителями. Наполнители могут играть двойную роль — как улучшать механические свойства, так и упрощать саму 3D-печать. В частности, волоконные наполнители значительно снижают линейную усадку, помогая добиваться более высокой размерной точности, что крайне важно при изготовлении функциональных деталей, особенно стыкующихся и/или c посадочными местами под другие компоненты.
Наша флагманская линейка композитов называется X-line и включает несколько стекло- и угленаполненных вариантов, в том числе на основе инженерных полимеров. Сюда входят два нейлоновых варианта — REC UltraX из полиамида-6, усиленного стекловолокном, и Printamid 1284 с углеволоконными наполнителем. Оба материала выдерживают эксплуатацию при температурах в диапазоне от -60°С до +160°С.
Самый популярный вариант — угленаполненный акрилонитрилбутадиенстирол REC FormaX. АБС крайне востребован в 3D-печати благодаря доступной цене и хорошей прочности, но в то же время весьма привередлив из-за высокой термоусадки. Добавление углеродных волокон решает эту проблему, а заодно повышает прочность и придает материалу приятную шершавую фактуру, хорошо скрывающую слоистость 3D-печатных изделий, что полезно с точки зрения эстетики. В первую же очередь это технический материал с высокой прочностью, выдерживающий эксплуатационные температуры до 105°С и обеспечивающий высокую размерную точность.
Если же потребуется максимальной теплостойкий и прочный композит, попробуйте наш угленаполненный или стеклонаполненный полиэфирэфиркетон (PEEK CF или PEEK GF). Эти материалы сохраняют все преимущества чистого полимера, но при этом дают повышенную размерную точность, опять-таки за счет пониженной усадки.
При работе с угле- и стеклонаполненными композитами не забывайте использовать износостойкие сопла. Ввиду высокой абразивности волоконных наполнителей латунные сопла необходимо менять на варианты из закаленной стали, а еще лучше из карбида вольфрама или синтетических камней — рубина, сапфира или алмаза.
Остались вопросы? Свяжитесь с нами, и специалисты REC будут рады предложить подробную консультацию по выбору расходных материалов под конкретные задачи.
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся
Вход через социальные сети