Типы пластиков, их особенности и применение

Прежде чем переходить к 3D-материалам, полезно взглянуть на знакомый процесс 2D-печати. Всем принтерам требуется какое-то вещество для печати: в 2D-печати чаще всего используются струйные принтеры с жидкими чернилами, выдавливаемыми на бумагу учерез микроскопические сопла. Также на бумаге печатают и двумерные лазерные принтеры: здесь вместо чернил используется картридж с тонером, заполненный специальным мелким порошком, и нагретый термоэлемент. Главное отличие 2D-печати от 3D заключается в получаемом продукте — двумерная печать дает плоские изображения с шириной и высотой, но без глубины (толщины), а пигментные и твердые чернила — это разновидности материалов, используемых для печати в 2D.

Сегодня с помощью специальных машин и материалов для печати 3D-печать так же распространена и доступна, как традиционная 2D. Одним из самых главных аспектов 3D-печати считается использование правильного материала. В этом руководстве рассматривается большой ряд известных 3D-материалов (нитей), характеристика и специфика использования, а также преимущества и недостатки каждого вида материалов для печати. Это руководство поможет разобраться в широком ассортименте нитей и выбрать наиболее подходящий тип пластика для 3D-печати.

Пластик

Пластик (пластиковая нить) — один их самых востребованных расходных материалов для аддитивного производства. После нагревания до нужной температуры термопластики становятся гибкими.

Термопластики — материалы, способные при нагревании обратимо переходить в высокоэластичное состояние.

Именно эта гибкость позволяет принтеру формировать нить для создания форм до их застывания. Выбор филаментов , предназначенных для 3D-печати, крайне разнообразен, что дает возможность выбрать подходящий по свойствам пластик для определенной задачи.

Преимущества пластиков для 3D-печати:

  • относительно невысокая стоимость на рынке
  • широкий спектр применения
  • огромное множество цветов
  • большая часть пластиков легко подвергаются механической обработке
  • нити обладают гибкой структурой
  • возможность печатать как мелкие, так и крупные модели

Рассматриваемые в этом руководстве материалы для 3D-печати:

  • PLA
  • ABS
  • Nylon 12
  • PETG
  • SBS
  • Flex
  • Rubber
  • Glow-in-the-Dark

IMPORTANT

Важно помнить, что не каждый принтер поддерживает весь ассортимент филаментов для 3D-печати. Перед покупкой материала необходимо точно знать возможности используемого 3D-принтера, уточнить его характеристики, а также возможности самих 3D-нитей, чтобы избежать напрасного расхода средств.


shutterstock_1310092495-min.jpg

На данный момент наиболее распространёнными пластиками для 3D печати являются ABS и PLA.

аbs&pla
PLA-пластик (Полилактид)

Получаемый ферментативным брожением, PLA-пластик производится из сахарного тростника и кукурузы, а в основе материала лежит молочная кислота как структурная единица полимера. (рис.1)

pla

Регуляция уровня содержания молочной кислоты при производстве пластика позволяет получить полимер с различными свойствами, тем самым расширяя области его применения. Изделия из PLA-пластика обладают ровной и скользящей поверхностью, что подходит для 3D-печати подшипников скольжения. По сравнению с другими филаментами, PLA-пластик намного экологичнее, а применение данного вида материала в помещении наиболее безопасно, так как при печати он не издает неприятный запах. Тем не менее изделия из PLA-пластика более хрупкие, чем изделия из, скажем, ABS-пластика. Если модели будут подвергаться воздействию высоких температур, то не рекомендуется использовать PLA-пластик, так как изделия из этого материала теряют форму при температуре от 60°C и выше.

plaПреимущества:
  • Прочный и твердый, имеет широкий спектр применения.
  • Нетоксичен, не сильно пахнет при печати, поэтому можно печатать в помещении, без использования вытяжки.
  • Позволяет получить точное соответствие размеров смоделированного и напечатанного изделия за счет того, что этот пластик не дает усадки при печати.
  • Легче работать по сравнению с ABS (отличный материал для начинающих).
  • Доступны специальные эффекты (прозрачность).
  • Может использоваться для контакта с пищевой продукцией, так как производится из натуральных компонентов.
  • Пластик биоразлагаемый, поэтому готовые модели не наносят вред окружающей среде при утилизации.
Недостатки:
  • Как и любой натуральный материал, со временем становится более хрупким под воздействием ультрафиолета и воздуха, из-за чего не подходит для длительного применения без использования защитного покрытия.
  • Низкая температура размягчения (50 °С); изделие может легко потерять форму.
  • Узкий температурный спектр применения (от -20 до +40 °С).
  • Тяжелее подвергается механической обработке из-за высокой твердости материала.
Параметры печати
  • Скорость печати: 30-80 мм/с
  • Толщина слоя: На 20% меньше диаметра сопла
  • Обдув: 0-20%
  • Retraction: 0 мм
  • Подъем оси Z: 0 мм
  • Покрытие стола: Синяя лента или малярный скотч
  • Температура стола: 20-45 °С
  • Температура экструдера: 180-210 °С
plaplastic
ABS-пластик

АBS-пластик известен как акрилонитрилбутадиенстирол — ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. (рис.2)

abs

Это дешевый, прочный, легковесный и легко выдавливаемый материал. В результате печати получаются крепкие и жесткие модели, которые, при необходимости, можно обрабатывать наждачной бумагой. Доступен в широкой цветовой гамме. ABS-пластик непрозрачен, но при необходимости легко окрашивается в любые цвета.

abs

Преимущества:

  • Подходит для изготовления механических изделий за счет хорошего сочетания прочности и упругости.
  • Простота механической обработки.
  • Довольно гибкий и легкий.
  • Самый дешевый термопласт, доступный на момент написания руководства.
Недостатки:
  • Требует более высокой температуры при печати, достигая наиболее высокой точки плавления в диапазоне от 240 до 248°С.
  • Специфический запах пластика в процессе печати.
  • Плохо переносит воздействия ультрафиолета:желтеет на солнце.
  • Склонен к расслоению, без подогреваемого стола возникают проблемы с прилипанием первого слоя к столу.
  • ABS сделан из продуктов нефтепереработки, что делает его не поддающимся к биохимическому разложению.
  • Хрупкий.
Параметры печати
  • Скорость печати: 30-60 мм/с
  • Толщина слоя: На 20% меньше диаметра сопла
  • Обдув: 0-20%
  • Retraction: 0 мм
  • Подъем оси Z: 0 мм
  • Покрытие стола: Каптон + Лак для волос, cамоклеющееся термоустойчивое покрытие 3M, синий скотч
  • Температура стола: 90-95 °С
  • Температура экструдера: 230-250°С
abplastic
Nylon (Нейлон)

Нейлоновая нить(полиамидный пластик) или же Nylon — другой популярный вид пластика для 3D-печати. Этот синтетический полимер гибкий, легкий, износостойкий и экономичный, а также менее хрупкий, но более прочный и долговечный, чем ABS и PLA. На рынке пластиков широко доступны различные виды нейлоновой нити, отличающиеся в способности сцепления слоев, прочности на разрыв и водопоглощении. Также существуют нити с полупрозрачным или непрозрачным покрытием и уменьшенной усадкой. Подобное разнообразие ассортимента нейлона позволяет выбрать нить для любых потребностей и бюджета. Полиамиды получают поликонденсацией диаминов и дикарбоновых кислот, высших аминокислот или диаминов с дикарбоновыми кислотами (рис.3), а также конденсацией капролактама и солей диаминов дикарбоновых кислот и другими методами. (рис.4)

nylon

рис.3
nylon2

рис.4
nylon3
Преимущества:
  • Прочный и гибкий материал.
  • Менее хрупкий, чем ABS и PLA пластики.
  • 100% термопластичный материал.
  • Многоразовый материал: нить можно повторно расплавить и использовать снова без потери сцепления.
Недостатки:
  • Требуется высокая температура плавления.
  • Разлагается и выделяет токсичные пары при нагревании.
  • Легко впитывает влагу — важно правильное хранение.
Параметры печати
  • Скорость печати: 30-60 мм/с
  • Толщина слоя: На 20% меньше диаметра сопла
  • Обдув: 0-20%
  • Retraction: 0 мм
  • Подъем оси Z: 0 мм
  • Покрытие стола: Гаролит (стекловолокно или эпоксидный ламинат)
  • Температура стола: 100-110 °С
  • Температура экструдера: 255-275 °С
nylon5
PETG (PET-G)

Полиэтиленгликольтерефталат, широко известный как PETG или PET-G, представляет собой модификацию полиэтилентерефталата (ПЭТ или ПЭТФ), который обеспечивает значительную химическую стойкость, долговечность и отличную формуемость для производства. PET-G можно легко вакуумировать и формовать под давлением, а также сгибать под действием тепла благодаря его низким температурам формования. Это делает его чрезвычайно популярным для потребительских и коммерческих приложений, связанных с 3D-печатью или другими технологиями производства методом термоформования. Также PET-G хорошо подходит для таких методов изготовления, как высечка и фрезерование.


Формуемость смеси — технологическое свойство, характеризующее способность смеси заполнять карманы модели при засыпке в опоку до ее уплотнения.


shutterstock_1296399874-min.jpg

Преимущества:

  • Хорошее скольжение и ударопрочность.
  • Широкий температурный спектр использования.
  • Отсутствие какого-либо запаха при печати.
  • Высокая точность размеров изделий за счет отсутствия усадки материала.
  • Возможность печатать тонкостенные изделия с высокой прочностью.
  • Готовые изделия устойчивы к ультрафиолету.
  • Нетоксичен, возможность печатать изделия для дальнейшего контакта с пищевой продукцией.
Недостатки:
  • Высокая текучесть.
  • Высокая температура печати.
  • Становится хрупким при низких температурах.

Параметры печати

  • Скорость печати: 45-55 мм/с
  • Толщина слоя: На 20% меньше диаметра сопла
  • Обдув: 0-20%
  • Retraction: 0 мм
  • Подъем оси Z: 0 мм
  • Покрытие стола: Синяя лента или малярный скотч
  • Температура стола: 70-80 °С
  • Температура экструдера: 220-245 °С

PET-G.jpg

SBS-пластик

В сравнении с ABS, SBS-пластик (стирол-бутадиен–стирол) более гибкий, а изделия из него не такие жесткие. Филамент не подвержен горению и ломкости, имеет гибкую структуру. В процессе печати SBS-пластик не обрывается и не обламывается, даже если нить подается в экструдер под прямым углом. Данный пластик поддается механической обработке.

Преимущества:
  • Готовые изделия обладают гибкостью.
  • Высокая прочность нити.
  • Отсутствие запаха при печати.
  • Не впитывает влагу.
Недостатки:
  • Слабая межслойная адгезия (сцепление двух разнородных поверхностей). Если первый слой печатного изделия не прилипает к платформе, то с большой вероятностью 3D-печать не увенчается успехом, поэтому требуется сопел с большим диаметром отверстия, либо печать с 100% заполнением.
  • Относительно высокая температура печати, как и у PETG-пластика.

shutterstock_1807300174 (1) (1) (1)-min.jpg Параметры печати

  • Скорость печати: 40-50 мм/с
  • Толщина слоя: На 20% меньше диаметра сопла
  • Обдув: 70-80%
  • Retraction:1 мм
  • Подъем оси Z: 0 мм
  • Покрытие стола: Синяя лента или малярный скотч
  • Температура стола: 85-100 °С
  • Температура экструдера: 225-240 °С

SBS.jpg FLEX (TPE) Термопластические эластомеры (TPE или TPU, другое название материала — FLEX), иногда называемые термопластическими каучуками, представляют собой класс сополимеров или физической смеси полимеров, которые состоят из материалов, обладающих как термопластичными, так и эластичными свойствами. TPE известен как мягкая нить и уже несколько лет доступен на рынке пластиков.

К гибким и эластичным свойствам относятся: гашение вибрации и высокая ударная вязкость, хорошая устойчивость к разрыву, истиранию, химическим веществам, а также высоким или низким температурам.

Также стоит отметить, что гибкие нити непросто печатать: как правило, чем мягче и гибче материал, тем сложнее его печатать.

Преимущества:
  • Имеет широкий диапазон твердости.
  • Подходит для создания изделий вроде автомобильной шины.
  • Высокая устойчивость к разрыву, истиранию, химическим веществам, высоким или низким температурам.
  • Изделие из этого материала обладает упругостью, гибкими и эластичными свойствами.
  • Легко окрашиваются большинством красителей.
  • Материалы TPE могут быть переработаны, поскольку их можно формовать, экструдировать и повторно использовать как пластмассы.
  • Подходит для контакта с пищевой продукцией.
Недостатки:
  • Перерабатывается как расплав при повышенной температуре.
  • Любые резкие изменения могут привести к потере контроля над скоростью печати.
  • Высокая скорость печати может привести к сжатию нити и вызвать замятие.
  • По сравнению с другими материалами, TPE труднее печатать в основном из-за его гибкости.

shutterstock_513963808.jpg

Параметры печати

  • Скорость печати: 20-30 мм/с
  • Толщина слоя: На 20% меньше диаметра сопла
  • Обдув: 0-20%
  • Retraction:1 мм
  • Подъем оси Z: 0 мм
  • Покрытие стола: тальк
  • Температура стола: 70-80 °С
  • Температура экструдера: 220-245 °С

PET-G.jpg

Rubber

Rubber — пластик, имеющий свойства максимально приближенные к свойствам резины, также является альтернативой FLEX, но встречается крайне редко, так как его производит только один бренд (REC). Единственный доступный цвет — черный. Данный пластик отлично подходит для производства расходников: уплотнителей, антивибрационных вкладок, ножек, а также прокладок, амортизаторов, покрышек, подошв.

Преимущества:

  • Широкий диапазон твердости.
  • Имеет отличное сцепление с большинством поверхностей.
  • Не скользит.
  • Гибкий и прочный.
  • Температура эксплуатации от -35 до +85°С.
  • Выдерживает высокие нагрузки при растяжении.
Недостатки:
  • Необходима тонкая настройка принтера для печати.
  • Печать может быть затруднительной даже на экструдерах с прямой подачей.
  • Имеет плохую адгезию со столом.
  • Необходима очень медленная скорость печати.

shutterstock_1708099126 (1).jpg

Параметры печати

  • Скорость печати: 20 мм/c
  • Толщина слоя: 0.10-0.35 мм
  • Обдув: 0-20%
  • Retraction: 0 мм
  • Подъем оси Z: 0 мм
  • Покрытие стола: прозрачный скотч, ПВА-клей
  • Температура стола: 85-100 °С
  • Температура экструдера: 225-245 °С

RUBBER.jpg

Glow-in-the-Dark

Glow-in-the-Dark (фосфоресцирующий пластик) — еще один вид декоративного филамента, в основе которого может лежать PLA, ABS или PETG пластики. К базовому пластику добавляется пигмент, способный накапливать световую энергию и излучать ее в темноте. Свойства данного филамента зависят от базового пластика.

shutterstock_573185878.jpg

Преимущества:

  • Экологически чистый, безопасный в использовании, биоразлагаемый.
  • Низкая усадка в процессе охлаждения.
  • Прочный.
  • Подобен обычному PLA-пластику, что упрощает печать.
Недостатки:
  • Небезопасен для контакта с пищевой продукцией.
  • Многие свойства зависят от пластика-основы.

glow.jpg

Итог

Рассмотренные в этом руководстве типы пластиков далеко не полный перечень материалов для 3D-печати. Существует еще много других экзотических пластиков, находящих применение в своих нишах. Сейчас на рынке доступен огромный выбор цветов и оттенков пластика, а также существуют матовые, шелковые, глянцевые, полу- и полностью прозрачные материалы. Такое разнообразие пластиковых нитей позволит изготовить практически любое изделие на любой вкус.


Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов в рамках проекта «Beyond Robotics» при поддержке государственно-частного партнёрства «Шеврон» и Посольства США в Казахстане.