Особености на материалите за 3D печат

През последните пет-десет години се наблюдава стремително развитие в областта на материалите за 3D печат. Днес наличните процеси за триизмерен печат са от съществено значение при създаването на прототипи и крайни производствени детайли от стотици видове пластмасови и метални материали. Напредъкът в технологията за адитивно производство, съчетан със съответния прогрес в разработкaтa на материали, оказа огромно влияние върху начина, по който инженерите, проектантите и производителите гледат на 3D принтирането при създаването на продукти.

Материалите в технологичните системи за адитивно производство се определят от технологията. Всяка технология за 3D принтиране трансформира материала чрез външно приложена топлина, светлина, лазери и други видове насочена енергия. Химическите, оптичните, механичните, топлинните или електрическите характеристики на материалите определят поведението им при дадени условия. Като количествени показатели, тези свойства могат да помогнат при оценяване на ползите от един материал спрямо друг за конкретно приложение.

Съображения при избор на материал
Определени материали за 3D принтиране предлагат биосъвместимост, възможности за стерилизация, сертификати за контакт с кожата, за липса на димна токсичност, невъзпламеняемост, химическа устойчивост или други, които могат да бъдат критични за даден проект. При избора на материал и процес за триизмерно принтиране за определен проект е важно да се гарантира, че материалът може да предложи тези сертификати и да отговори на съответните изисквания.

Материалите за 3D печат се подлагат на стриктни изпитвания, за да се тестват видовете напрежения, на които те могат да бъдат подложени, и нивото на влияние на околната среда, в която материалът ще бъде използван. Способността на материала да функционира в желаното приложение зависи отчасти и от дизайна на изработвания детайл.

Материалите за 3D принтиране често са неразделна част от съответната технология. Освен това, всяка технология, независимо дали е моделиране чрез наслагване (FDM), стереолитография (SLA) или лазерно синтероване (SLS), превъзхожда другите при създаването на определени уникални геометрични изпълнения. При избор на материал и технология за 3D принтиране трябва да се вземат предвид изискванията за точност на размерите, минимално време за изпълнение и дебелина на стените на конструкцията.

Свойства на материалите
Някои от най-важните свойства при избора на материали за 3D принтиране са якост на опън, огъване и разкъсване, модули на еластичност и гъвкавост, удължение, твърдост на натиск, свиваемост, адсорбция на влага, температура на топлинна деформация (HDT), точка на омекване по Вика и коефициент на топлинно разширение.
Якостта на опън, устойчивостта на материала към разкъсване при напрегнато състояние, е едно от най-фундаменталните свойства на един материал. Днес 3D принтирането вече е напреднало до степен, при която е в състояние да предостави същата или дори по-висока якост на опън в сравнение с традиционните пластмаси, формовани чрез шприцване, като полипропилен и ABS.

Модулът на Юнг е мярка за твърдостта на материала под натоварване на опън – колкото по-висока е стойността му, толкова по-твърд е материалът. В горния край на скалата модулът на Юнг определя количествено чувствителността на материала при натоварване, което го прави едно от първите свойства, които трябва да бъдат изследвани при избора на материали за всякакви натоварени механични и структурни детайли, които се очаква да останат в геометричните си спецификации при натоварване.

Якостта на огъване описва устойчивостта на материала на счупване под товар. Разликата между якостта на огъване и тази на опън е във вида на натоварването. При повечето пластмаси стойностите за якостта на огъване и опън са много близки – всъщност ако материалът е изотропен, неговата якост на огъване би била равна на якостта на опън. Поради силните химически връзки при 3D принтирането, детайлите, изработени чрез SLA, са изотропни.

Модулът на огъване е мярка за твърдостта на материала по направление на огъването. Високият модул на огъване е признак за по-твърд материал. Точно като якостите на опън и огъване, модулите на опън и огъване са тясно свързани и обикновено не се различават в голяма степен.

Твърдостта се дефинира като съпротивлението на материала към промяна на постоянната му форма, при прилагане на сила на натиск. Тъй като ниската твърдост обикновено означава мек материал, дефиницията за твърдост става все по-непрактична, колкото по-мек е тестваният материал. Затова се използва методът на Shore (или твърдостта по Шор) – метод за тестване и дефиниране, предназначен за измерване на твърдостта (или мекотата) на меки, гъвкави и еластични материали като каучук, еластомери и някои полимери. Високата твърдост по Шор определя по-твърд и по-малко гъвкав материал. Ако в списъка със спецификации не е спомената стойност за твърдостта, то ниският модул на опън също може да бъде добър индикатор за еластичен и мек материал.

Водна адсорбция. При нагряване над определен температурен праг – обикновено около 150-160°C, в присъствието на влага, много термопластични материали претърпяват химична реакция, наречена хидролиза, която води до накъсване на дългите молекулни вериги в по-къси и отслабва материала. Ако термопластична суровина с висок адсорбционен капацитет е изложена на влажност преди 3D принтиране или леене под налягане, при процеса протича хидролиза, която води до влошено качество на крайния детайл.

Докато формованите чрез шприцване пластмаси (ABS, найлон, полипропилен) са термопластични, то SLA фотополимерните смоли са термореактивни материали – те се обработват със светлинен източник вместо да се разтопяват и застиват във форма и остават в постоянно твърдо състояние след обработката. В резултат на това те не са податливи на отрицателните ефекти от хидролизата.

Температурата на топлинна деформация (HDT) представлява температурата, при която материалът започва да се деформира при специфично натоварване. Висока HDT е желателна при приложения с високи температури, като например корпуси и закрепващи елементи за нагревателни елементи и компоненти, които влизат в контакт с горещи течности или газове, както и инструментална екипировка за шприцформи, флуидни съединители, клапани и дюзи.

Точката на омекване по Вика отразява изменението на механичните свойства на материала под влияние на топлина. Обикновено се използва за определяне на горната температурна граница за непрекъснато използване на материал при приложение с повишена работна температура, която като правило трябва да бъде 15°C под точката на омекване по Вика.

Коефициентът на термично разширение е полезен индикатор за прогнозиране и количествено определяне на начина, по който материалът променя формата си в отговор на измененията в температурата. Положителният коефициент на термично разширение показва, че материалът се разширява с повишаваща се температура.
При работа с термопластични материали, било то чрез шприцване или 3D принтиране, трябва да се отчете топлинното разширение на материала, за да се получи желаната форма, след като детайлът се охлади. За да се предотвратят топлинни явления като свиване и усукване например, които са основни ограничения в постигането на геометрична точност чрез технологиите за триизмерно принтиране като SLS и FDM, е препоръчително при избора на материал да се вземе предвид коефициентът на топлинно разширение.

При термореактивните технологии за 3D принтиране, като SLA, обикновено не се наблюдават топлинни изкривявания, което ги прави отличен избор за детайли, изискващи висока точност на размерите и формата.