Адитивно производство с пластмаса – оборудване и консумативи

МашиниВъв ФокусСп. Инженеринг ревю - брой 9/2021 • 06.01.2022

  • Бурната научноизследователска и развойна дейност в областта води до оптимизиране на процесите и създаването на нарастваща гама от материали, подходящи за широк спектър от приложения

  • Материалите за адитивно производство се предлагат под формата на филамент (нишка), прах или смола

  • Повечето FDM системи предлагат възможност за настройка на няколко технологични параметри – температура на дюзата и платформата, скорост на изграждане, височина на слоя и скорост на охлаждащия вентилатор

 

Адитивното производство еволюира с все по-висока скорост, предоставяйки нови възможности за редица индустриални сектори. Бурната научноизследователска и развойна дейност в областта води до оптимизиране на процесите и създаването на нарастваща гама от материали, подходящи за широк спектър от приложения.

 

Процеси

Материалите за адитивно производство се предлагат под формата на филамент (нишка), прах или смола. Ако материалът вече е избран, селекцията на процес за 3D принтиране е относително лесна задача, тъй като само няколко технологии са подходящи за производство на детайли с повече видове материали. В тези случаи изборът на процес обикновено се свежда до сравнение между разходите и свойствата.

FDM (fused deposition modeling) е най-широко разпространената технология за 3D печат. Процесът започва със зареждане на макара с термопластичен материал в принтера. След достигане на желаната температура на дюзата, нишката се подава в екструзионната глава и дюзата, където се разтопява. Екструзионната глава е прикрепена към триосна система, която позволява движението ґ в x, y и z направление. Стопеният материал се екструдира на тънки нишки и се полага слой по слой в предварително определените места, където се охлажда и втвърдява. Към екструзионната глава може да бъде монтиран вентилатор, който да ускорява охлаждането.

Повечето FDM системи предлагат възможност за настройка на няколко технологични параметри – температура на дюзата и платформата, скорост на изграждане, височина на слоя и скорост на охлаждащия вентилатор. Големината на детайлите и височината на слоевете обаче може да се окажат предизвикателство. Настолните 3D принтери обикновено позволяват производство на детайли с размери 200x200x200 mm, докато с индустриална машина може да се изработи детайл с размери до 1000 x 1000 x 1000 mm. Височината на слоя при FDM процеса варира между 50 и 400 микрометра.

Селективното лазерно синтероване (SLS) принадлежи към групата технологии с прахово легло. При процеса лазер селективно синтерова частиците на полимерен прах, съединявайки ги чрез стапяне, при което детайлът се изгражда слой по слой. SLS 3D принтирането се използва както за прототипиране на функционални полимерни компоненти, така и за малки партиди от продукти, тъй като предлага висока степен на свобода при проектиране, висока точност и добри и постоянни механични свойства на детайлите. При SLS почти всички параметри на 3D принтера са предварително настроени от производителя на машината. Височината на слоя по подразбиране е между 100 и 120 микрометра.

Стереолитографията (SLA) е процес на адитивно производство, при който като светлинен източник се използват UV лазери за селективното втвърдяване на полимерна смола. Материалите, използвани за SLA, са фоточувствителни терморекативни полимери, които се предлагат под формата на течност. Процесът започва с позициониране на платформата в резервоар с течен фотополимер на разстояние височината на един слой от повърхността на течността. UV лазерът изгражда последователно слоевете на детайла, като селективно втвърдява полимерната смола. По време на етапа на втвърдяване мономерните въглеродни вериги се активират от светлината на UV лазера и се втвърдяват, формирайки неразрушими връзки помежду си. Лазерният лъч се фокусира в предварително зададен ход с помощта на огледала. След принтиране на детайла е необходимо той да претърпи допълнителна обработка на UV светлина, в случай че се изискват много добри механични и термични свойства. Височината на един слой варира между 25 и 100 микрометра.

 

Материали

Акрилонитрил бутадиен стиролът (ABS) е най-често използваният материал в 3D принтирането с пластмаса. Намира приложение в автомобилостроенето, производството на домакински уреди и др. Той представлява термопласт, съдържащ основа от еластомери на базата на полибутадиен, което го прави по-гъвкав и устойчив на удари. ABS се предлага на пазара под формата и на прах, и на течност, което го прави подходящ за процеси като SLS, SLA и PolyJet. В адитивното производство ABS се използва нагрят между 230 и 260°C. Материалът е издръжлив, лесно понася температури от -20 до 80°C. ABS обаче не е биоразградим и се свива при контакт с въздуха, поради което платформата за принтиране трябва да бъде нагрята, за да се избегнат изкривявания на детайлите. Препоръчва се при адитивно производство с този материал да се използва 3D принтер със затворена камера, за да се ограничат емисиите на частици.

Полимлечната киселина или PLA е материал, който, за разлика от ABS, е биоразградим. Произвежда се от възобновяеми суровини като например царевично нишесте. Адитивното производство с PLA е лесно, въпреки че материалът има склонност да се свива в известна степен след 3D принтирането. При PLA не е нужно подгряване на платформата за принтиране, като работните температури също са по-ниски в сравнение с ABS – между 190 и 230°C. Манипулирането на PLA е по-трудно поради високите му скорости на охлаждане и втвърдяване. Важно е да се отбележи, че качеството на принтираните обекти може да се влоши при контакт с вода. Материалът обаче има постоянни свойства, лесен е за употреба, предлага се в богата гама от цветове и е подходящ за FDM адитивно производство.

Акрилонитрил стирен акрилатът (ASA) има подобни на ABS свойства, но се отличава с по-голяма устойчивост на UV излъчване. Както при ABS, и при адитивното производство с ASA се препоръчва да се принтира при нагрята платформа, за да се предотврати изкривяването на детайлите. Необходимо е принтирането да се осъществява в затворена камера заради емисиите на стирен.

Полиетилен терефталатът (PET) е идеалният материал за детайли, влизащи в контакт с храни. В допълнение той е доста здрав и има добра химическа устойчивост. За да се постигнат максимални резултати при адитивно производство с PET, температурата трябва да е между 70 и 95°C. Сред предимствата на PET са липсата на емисии на миришещи вещества при принтиране и възможността за 100% рециклиране.
PETG е термопласт, който се използва широко в областта на адитивното производство, съчетавайки лесната употреба на PLA и издръжливостта на ABS. Представлява аморфна пластмаса, която може да се рециклира напълно. Има същия химичен състав като PET, с разликата, че е добавен гликол с цел да се намали ронливостта му и да се понижи чупливостта.

Поликарбонатът (PC) е силно устойчив материал, предназначен за инженерни приложения. Материалът има добра термична устойчивост, като може да не се деформира при температури до 150°C. PC обаче има склонност да абсорбира влага от въздуха, което може да повлияе на експлоатационните му характеристики и устойчивостта му при принтиране. Затова следва материалът да се съхранява във въздухонепропускливи контейнери. PC има много по-ниска плътност от стъклото, което го превръща в интересна алтернатива за производството на оптични детайли, защитни екрани или декоративни предмети.

Еволюцията в областта на технологиите за 3D печат доведе до обширна изследователска дейност при материалите за адитивно производство, която позволи разработката на цяла гама от полимери от висок клас с механични характеристики, подобни на тези на металите. Съществуват няколко типа материали от висок клас за 3D принтиране като PEEK, PEKK или ULTEM. Тези материали имат много висока механична и термична устойчивост, отлична якост и същевременно са много по-леки от някои метали. Тези качества ги правят много атрактивни за авиационната и космическата индустрия, автомобилостроенето и медицинския сектор. Поради характеристиките на полимерите от висок клас, те не могат да бъдат принтирани на всички FDM машини, предлагани на пазара. 3D принтерът трябва да има нагряваща плоча, достигаща поне 230°C, а екструзията трябва да протича при 350°C в затворена камера. Днес около 65% от тези материали се принтират с FDM технология, но се предлагат и в прахообразна форма, съвместима с SLS процеса.

Полипропиленът е друг термопласт, широко използван в автомобилния сектор, текстилната индустрия и производството на необятна гама от продукти за ежедневието ни. Материалът е известен с устойчивостта си на абразия и способността си да поема механични натоварвания, както и с относителната си коравина и гъвкавост. Сред недостатъците му са ниска термична устойчивост и чувствителност към UV лъчи, които могат да доведат до разширяването му. Поради това няколко производители от сектора на адитивното производство разработват алтернативни видове полипропилен, отличаващи се с по-висока физична и механична якост.
Композитите са изключително подходящи за изработката на леки детайли с висока якост. Влакната добавят якост към детайла, без да увеличават теглото му. Има две възможности – при първата влакната са на сегменти с дължина под 1 mm, а при втората нишките са непрекъснати. Нарязаните влакна могат да бъдат смесени с термопласти като найлон, ABS или PLA. В сектора на адитивното производство се използват предимно въглеродни нишки, но също и стъклени и такива от кевлар.

 

Предизвикателства и бъдещи направления

Процесите на адитивно производство осигуряват гъвкавост на проектиране, възможност за персонализиране и бързо прототипиране на безпрецедентно ниво. Настоящият спектър на приложения се разширява с такъв темп, че се очаква в близко бъдеще технологията да засегне всички житейски области. За да се осъществи преходът от бързо прототипиране до масово производство обаче, трябва да се преодолеят някои предизвикателства. На първо място е ниската скорост на производство с наличните към момента адитивни системи. Поради тази причина се полагат огромни усилия в научноизследователската и развойна дейност, насочена към ускоряване на процесите на адитивно производство. Преди индустрията да внедри адитивните технологии за целите на масово производство, системите трябва да могат да изработват детайли в рамките на няколко секунди или минути, а не часове или дни.

Следващото голямо предизвикателство е сравнително малкият спектър от материали, подходящи за процесите на адитивно производство, и високата им цена. Въпреки че списъкът с налични материали се удължава, той не се разширява достатъчно бързо, но също така няма и споделена база данни за наличните материали за принтиране и техните свойства. Голяма част от материалите, използвани за процесите на адитивно производство, са фирмени патенти. Това води до други проблеми, а именно хетерогенност на свойствата на материалите, вариации в партидите и принтираните детайли, трудности при контрола на качеството.

Въпреки че процесите на адитивно производство се славят с по-малкия размер на материални загуби в сравнение с конвенционалните процеси, все още има много място за оптимизация в това направление. Наблюдава се и липса на единни за индустрията стандарти в областта, включително насоки за устойчиво производство. Освен това наличността на софтуер за проектиране, подаването на файловете за принтиране и ръчната дообработка забавят работните потоци. Допълнителен проблем е и ограничението по отношение на размерите на произвежданите детайли. В обобщение може да се каже, че са нужни още подобрения в процесите на адитивно производство, за да може индустрията да се възползва от пълния им потенциал.





ЕКСКЛУЗИВНО

Top