Преимущества 3D-печати композитами и доступные материалы

В этой статье ознакомимся с композиционными материалами — последним писком моды в экструзионной 3D-печати: расскажем о преимуществах композитов, составах материалов и требованиях к 3D-принтерам.

Композиционные материалы в FDM 3D-печати представлены в основном термопластами с волоконными наполнителями. Композитами можно назвать и пластики с древесными, минеральными и металлическими добавками, хотя такие материалы в основном играют роль имитаторов древесины, гипса, металлов и предназначены для декоративной 3D-печати. Исключением могут быть полимеры с металлическими добавками: варианты с высокой массовой долей наполнителя в виде металлического порошка могут использоваться для изготовления полимер-металлически заготовок, а затем отжига и спекания в цельнометаллические изделия.

Дополнительный крепеж крыла самоката Ninebot G30. 3D-печать стеклонаполненным композитом REC GF MAX на 3D-принтере Picaso Designer X

Если же мы говорим об экструзионной 3D-печати конечных функциональных изделий, например нагруженных деталей или формовочной оснастки, на первый план выходят полимеры с наполнителями из короткого угле- или стекловолокна, а иногда даже параарамидных волокон, то есть кевлара. Очевидно, главное преимущество таких композиций — повышенная прочность, но не только. Например, композиционные материалы с углеволоконными наполнителями выдерживают более высокие эксплуатационные температуры ввиду хорошей теплопроводности углеродного волокна. С другой стороны, это означает необходимость в более высоких температурах экструзии.

Заодно волоконные добавки помогают бороться с термоусадкой, тем самым упрощая процесс 3D-печати, помогая добиваться более высокой размерной точности и значительно снижая риск брака.

Рукоять и ножны для самодельного клинка от Custom Box 18 CB18. 3D-печать угленаполненным композитом REC FormaX

Еще один интересный побочный эффект — качество поверхностей. Характерной для экструзионной 3D-печати ребристости не избежать, но шершавая фактура композитов дает интересные на вид и приятные на ощупь поверхности, а значит во многих случаях исключает необходимость в постобработке.

Есть и еще одно направление — комбинированная 3D-печать полимерами и беспрерывными волокнами, обычно называемая CFC — Composite Fiber Coextrusion. В таких системах обычная экструзионная головка укладывает слои полимера, как и в типичных FDM/FFF 3D-принтерах, но между слоями с помощью еще одной, специальной головки укладываются длинные армирующие волокна. Такой подход еще более близок к классическим угле- и стеклопластикам, только с полимерными матрицами из термопластов вместо реактопластов.

Длинные волокна помогают еще лучше распределять нагрузки и тем самым дополнительно повышать прочность, но этот метод требует использования дорогих, специализированных 3D-принтеров, тогда как композиты с наполнителями из коротких волокон — как правило, менее одного миллиметра длиной — подходят для многих обычных экструзионных 3D-принтеров.

Накладка на бак мотоцикла Harley Davison Sportster S. 3D-печать угленаполненным композитом REC FormaX на 3D-принтере Picaso Designer X

Главные условия совместимости — температура экструзии и наличие износостойких сопел. Как мы уже упоминали, композиты зачастую более тугоплавки, чем чистые полимеры, используемые в качестве матриц, то есть связующего для армирующих волокон. Разница не очень велика, но все же ощутима. Например, для работы с REC ABS необходима температура экструзии в диапазоне 240-270°C, а при работе с угленаполненным вариантом REC FormaX — уже 270-290°C.

Полимерными матрицами могут служить любые термопласты. Самый неприхотливый и доступный вариант в нашем ассортименте — стеклонаполненный полиэтилентерефталатгликоль (PETG). Чистый полимер предлагается под маркой REC Relax, а стеклонаполненный вариант носит название REC rPETG GF. Этот композит экструдируется при температурах 235-245°C, так что для 3D-печати rPETG GF подойдут даже самые бюджетные 3D-принтеры на рынке.

Восстановленные шестеренки мясорубки. 3D-печать стеклонаполненным полиамидом REC UltraX

В то же время не забываем про второе условие: волоконные добавки сильно повышают абразивность расходных материалов, а потому требуют замены стандартных латунных сопел на износостойкие. Самый простой и доступный вариант — сопла из закаленной стали. Бывают и более долговечные, но в то же время значительно более дорогие сопла с покрытиями из карбида вольфрама или вставками из искусственных камней — рубинов, сапфиров и даже алмазов. Сами сопла должны быть достаточного большого диаметра — не менее 0,4 мм, а желательно 0,6 мм, иначе волоконные добавки могут вызвать забивание фильер.

Сплитцер — насадка на объектив, позволяющая делить кадр на две половины и делать необычные фотографии, состоящие из частей разных кадров. Изделие напечатано угленаполненным композитом REC FormaX на 3D-принтере Picaso Designer X

В другом конце спектра можно найти композиты на основе инженерных термопластов, например полиамидов или даже таких тугоплавких полимеров, как полиэфирэфиркетон (PEEK). Даже в чистой форме PEEK настолько прочен, что его часто и вполне заслуженно называют альтернативой легким сплавам, например алюминиевым. Углеволоконные добавки дополнительно повышают физико-механические свойства, но работать с такими материалами намного сложнее.

Во-первых, температура экструзии REC PEEK CF достигает уже 375-410°C, а значит необходимо использовать цельнометаллические хотэнды c мощными термоблоками.

Во-вторых, это полукристаллический полимер, и для достижения оптимальных характеристик после экструзии его необходимо плавно охлаждать. В идеале это означает использование 3D-принтеров с активной регулировкой фоновых температур в рабочих камерах, например аддитивных систем линейкиDesigner X Series 2 от компании Picaso 3D.

В-третьих, необходимо обеспечить должную адгезию с рабочей поверхностью: такие композиты весьма дороги, и будет обидно, если недопечатанная деталь отвалится от столика. В таких случаях мы рекомендуем использовать Adhesivix Pro — специальный клей для работы с полиамидами (нейлонами), полиэфирэфиркетоном (PEEK), полиэфиркетонкетоном (PEKK), полисульфоном (PSU), полиэфиримидом (PEI, Ultem), а также композитами на их основе. Он же подойдет для фиксации более распространенных полимеров вроде ABS или PETG — практически любых, кроме полипропилена.

Наш ассортимент включает несколько линеек композиционных материалов — X-Line, Clotho и Technika.

В линейку X-Line входят:

• FormaX — угленаполненный акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) с 15-процентным содержанием армирующих волокон;
• GF Max — стеклонаполненный композит на основе полиэтилентерефталатгликоля (PETG);
• UltraX — угленаполненный композит на основе полиамида (нейлона) c 30-процентной долей армирующих волокон;
• PPX — полипропилен c наполнителем из углеродных нанотрубок.

Линейка Technika включает разные оттенки rPETG GF — стеклонаполненного композита на основе полиэтилентерефталатгликоля (PETG). Это самый бюджетный композит в нашем ассортименте и, вполне возможно, на российском аддитивном рынке. В качестве основы используется переработанный ПЭТГ — это практически не влияет на механические свойства, зато помогает значительно повышать ценовую доступность.

Линейка Clotho разработана по заказу одного из наших партнеров — компании-производителя 3D-принтеров Imprinta. Сюда входят композиты разных цветов из акрилонитрилбутадиенстирола (ABS) с 13-процентной долей стекловолоконного наполнителя.

Ручка дросселя автоматической газонокосилки Husqvarna. 3D-печать стеклонаполненными композитом Clotho ABS

Дополнительно мы предлагаем угленаполненный композит REC PEEK СF на основе тугоплавкого конструкционного термопласта полиэфирэфиркетона. Этот полимер доступен и в чистой форме.

Если вас интересует 3D-печать композитами в промышленных масштабах, взгляните на продукцию нашего партнера — научно-производственного объединения 3D Solutions, выпускающего полимерные и композиционные грануляты с угле- и стекловолоконными наполнителями на основе полиэфиров, полиамидов и акрилонитрилбутадиенстирола (ABS) для крупноформатных экструзионных 3D-принтеров по технологии FGF (Fused Granulate Fabrication). Подробная информация доступна на официальном сайте.

Корпус судового насоса. Модель напечатана угленаполненным композитом REC FormaX на 3D-принтере Picaso XL

Свяжитесь с нами, и специалисты REC будут рады предоставить подробную консультацию по композитам, подходящему оборудованию и сферам применения.