Композиционные материалы — без преувеличения главный тренд в современной экструзионной 3D-печати. Разнообразные добавки помогают значительно повышать характеристики базовых полимеров и тем самым получать изделия с повышенной прочностью, износостойкостью и другими полезными свойствами.
Композиты можно условно разбить на две категории — функциональные и декоративные. В первую категорию в основном входят армированные полимеры с наполнителями из угле- или стекловолокна, либо параарамидных волокон (кевлара). Другие варианты включают полимеры с антипиреновыми добавками, способствующими самозатуханию после возгораний, с токопроводящими добавками ради антистатических свойств, и так далее.
Вторая категория представлена филаментами с разнообразными наполнителями для имитации других материалов, например древесины, камня, гипса, различных металлов. Необходимо упомянуть, что некоторые из таких композитов тоже могут использоваться в производстве функциональных, нагруженных изделий, например филаменты с высокой долей металлических наполнителей, применяемые в 3D-печати полимер-металлических заготовок для последующего отжига и спекания в цельнометаллические изделия.
Отдельный вопрос — подходящее аддитивное оборудование. Обязательное условие — оснащение 3D-принтеров износостойкими соплами, так как почти все композиционные филаменты отличаются повышенной абразивностью. Наиболее распространенный и доступный вариант — сопла из закаленной стали, хотя существуют и более экзотичные варианты с наконечниками из карбида вольфрама, искусственных рубинов, сапфиров и алмазов. Высокая стоимость таких аксессуаров с лихвой окупается при больших объемах 3D-печати композитами.
Следующий момент — матрица, то есть полимерная основа композита. В этой роли используются самые разные термопласты, начиная с недорогого и неприхотливого полиэтилентерефталатгликоля (PETG) и заканчивая тугоплавкими конструкционными термопластами, такими как полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетонкетон (PEKK), полиэфиримид (PEI, Ultem), полисульфон (PSU), и другими. Сами по себе это очень прочные материалы, зачастую способные конкурировать с легкими сплавами, например алюминиевыми или магниевыми, а волоконные добавки дополнительно повышают физико-механические характеристики. С другой стороны, высокие температуры плавления таких полимеров требуют использования соответствующего оборудования — хотэндов с максимальной температурой не менее 400°С.
Как выбирать полимеры под насущные задачи — читайте в статье по этой ссылке, а пока поделимся примерами композитов и подходящих 3D-принтеров. Все нижеперечисленные композиционные материалы доступны в нашем ассортименте.
Угленаполненный композит на основе акрилонитрилбутадиенстирола (ABS), обеспечивающий высокую прочность, размерную точность и широкий диапазон эксплуатационных температур — от -60°С до +105°С. Готовые изделия имеют приятную шероховатые поверхности, в большинстве случаев не требующие дополнительной обработки.
Подробнее про FormaX — характеристики, настройки 3D-печати и наглядные примеры — читайте в статье по этой ссылке.
Композит на основе полиамида-6 с тридцатипроцентной долей короткого углеволокна. Подходит для изготовления функциональных прототипов и нагруженных деталей, выдерживает продолжительную эксплуатацию при температурах до 110°С. Так как полиамиды весьма гигроскопичны, материал настоятельно рекомендуется просушивать непосредственно перед 3D-печатью.
Полипропиленовый филамент с наполнителем из углеродных трубок. Отличается значительно пониженной термоусадкой, а также высокой стойкостью к химикатам, ультрафиолетовому излучению, износу и пластической деформации. Хорошо подходит для изготовления гибких функциональных деталей, в том числе для эксплуатации на открытом воздухе.
Вспенивающийся композит на основе модифицированного пластифицирующими и адгезионными добавками сополимера стирола и акрилонитрила с добавлением углеволокна. Благодаря низкой удельному весу отлично подходит для изготовления легких, но прочных деталей, например компонентов беспилотных летательных аппаратов.
Сбалансированный композит из полиамида-12 с углеволоконным наполнителем, характеризуемый повышенными физико-механическими свойствами без излишних сложностей при 3D-печати.
Композит на основе полиамида-12 с примерно тридцатипроцентным содержанием углеволокна, значительно снижающим текучесть и повышающим твердость и модуль упругости.
Самозатухающий композит на основе полиамида-12 с десятипроцентым содержанием углеволокна и антипиреновыми добавками. Сохраняет физико-механические свойства аналогичных угленаполненных композитов, но при этом отличается огнестойкостью, благодаря чему отлично подходит для производства компонентов электрической техники.
Композит на основе полиамида-6 с тридцатипроцентной долей углеродного волокна. Отличается повышенной прочностью и низкой термоусадкой, обладает высокой стойкостью к перепадам температур в рабочем диапазоне от -60°С до 150°С.
Филамент из полиамида-610 с тридцатипроцентной долей углеродного волокна. Подходит для 3D-печати функциональных прототипов, конечных нагруженных деталей, прочной и легкой оснастки.
Экологически чистый полиамид с двадцатипроцентным содержанием углеволокна. Получаемые изделия имеют гладкие, матовые поверхности, при 3D-печати не выделяются резкие запахи. Выдерживает продолжительное нагревание до 160°С, соответствует классу огнестойкости UL94-V2 — самозатухание не более чем через тридцать секунд после прекращения огневого воздействия, допускается образование горящих капель.
Специализированный материал для 3D-печати композитных деталей, используемый в3D-принтерах компании Anisoprint. Представляет собой жгут из углеродных волокон с полимерной пропиткой. Используется параллельно с обычным полимерными, либо композиционными филаментами, формирующими матрицы изделий, где Anisoprint CCF служит дополнительным армирующим компонентом.
Композит на основе полиэтилентерефталатгликоля (ПЭТГ) со стекловолоконным наполнителем. Выдерживает высокие нагрузки, подходит для изготовления функциональных деталей.
Прозрачный стеклонаполненный композит на основе полиэтилентерефталатгликоля (ПЭТГ) с низкой усадкой и высокой прочностью, твердостью и износостойкостью. Также обладает низкой электропроводностью, что позволяет использовать этот материал в 3D-печати электроизоляционных компонентов.
Керамические композиты
3D-печатные изделия из Filamentarno Ceramo (слева) и Ceramo-Tex (справа)
Сополимер стирола и акрилонитрила с керамическим наполнителем, хорошо подходящий для 3D-печати имитаторов керамики и фаянса. Материал легко поддается шлифованию, отличается высокой межслойной адгезией и низкой термоусадкой, выдерживает температуры до 102°С.
Вспенивающийся вариант композита Ceramo с меньшим удельным весом 3D-печатных изделий. Материал дает естественную фактуру, зачастую не требуя постобработки, при необходимости легко шлифуется. Подходит как для изготовления декоративных изделий, так и легких деталей авиационной и водной техники. Выдерживает температуры до 102°С.
Материал, имитирующий горные породы и предназначенный в первую очередь для архитектурного макетирования и художественной 3D-печати. Регулируемая шершавость поверхностей зависит от температуры экструзии, материал легко поддается шлифованию.
Имитатор древесины с добавлением натурального, переработанного дерева. Хорошо поддается механической обработке — шлифованию, сверлению, резке и так далее. Обладает очень низкой термоусадкой.
Полимер-металлический филамент из полилактида (PLA) с наполнителем из алюминиевого порошка. Хорошо поддается шлифованию, после обработки дает глянцевые поверхности с металлическим блеском. Ввиду использования полилактидной матрицы не подходит для изготовления функциональных изделий. По простоте 3D-печати сравним с чистым полилактидом, но настоятельно рекомендуется использовать износостойкие сопла.
Имитатор бронзы на основе полилактида (PLA) с металлическим наполнителем. Отлично шлифуется, обладает низкой термоусадкой. Рекомендуется использовать износостойкие сопла.
Колечко из ColorFabb BronzeFill до и после шлифования и полирования
Полимер-металлический композит с бронзовым наполнителем. Хорошо поддается шлифованию. Благодаря высокому содержанию металлического порошка — порядка 80% — отличается высокой массой и после механической обработки дает поверхности с металлическим блеском. Необходимо использовать износостойкие сопла.
3D-принтеры для печати композитами
Абсолютное большинство FDM 3D-принтеров можно в той или иной степени адаптировать под 3D-печать композитами, но следует учитывать требования по температуре экструзии и температурному контролю внутри рабочего объема. Некоторые производители предлагают уже адаптированные модели оборудования, оснащенные износостойкими соплами и механизмами подачи, в противном случае такие модификации необходимо проводить самостоятельно.
Приведем несколько примеров FDM 3D-принтеров, хорошо подходящих под аддитивное производство деталей из композиционных материалов.
Bambu Lab X1 Carbon Combo
Специализированный вариант недавно выпущенного 3D-принтера Bambu Lab X1, ставшего своего рода сенсацией благодаря обширному функционалу. Эти системы рассчитаны на профессиональных пользователей и обеспеченных любителей. Аппараты оборудованы системами автоматической калибровки с использованием тензометрических датчиков и лидаров, системой отслеживания сбоев с помощью машинного зрения, а также функциями активного гашения вибраций и динамического контроля укладки расплава ради высоких скоростей и ускорений, достигающих 500 мм/с и 20 м/с^2 соответственно. Опциональная система смены филамента позволяет использовать до четырех материалов одновременно с возможностью расширения до шестнадцати филаментов за счет подключения дополнительных модулей.
Вариант Bambu Lab X1 Carbon в целом аналогичен базовой модели, но имеет несколько отличий как раз с прицелом на 3D-печать композитами — подающие механизмы и сопла из закаленной стали, плюс более мощный обдув. Температура хотэндов достигает 300°С, так что эти 3D-принтеры подойдут для работы с композитами на основе полилактида (PLA), полиэтилентерефталатгликоля (PETG), акрилонитрилбутадиенстирола (ABS), термопластичного полиуретана (TPU) и полиамидов (нейлонов).
Raise3D E2CF
Профессиональный 3D-принтер, вариант системы Raise3D E2. Литеры CF в названии указывают на модификацию под 3D-печать композиционными материалами — конкретно углеволоконными (Carbon Fiber), хотя ничто не мешает использовать полимерные филаменты со стекловолоконным армированием.
Интересная особенность 3D-принтера Raise 3D E2CF — кинематика IDEX с независимым позиционированием двух директ-экструдеров по оси X. Такой подход позволяет не только печатать с использованием растворимых опорных материалов, но и повышать производительность вдвое, одновременно выращивая две идентичные или зеркальные детали. В стандартной комплектации оборудование поставляется с износостойкими соплами, а температура хотэндов достигает 300°С — достаточно для работы с большинством композитов за исключением наиболее тугоплавких.
Серия 3D-принтеров Flashforge Guider
Для тех, кто любит побольше — можно рассмотреть крупноформатные настольные 3D-принтеры Flashforge серии Guider. Это Flashforge Guider 3 Plus с областью построения 350х350х600 мм, Guider 3 Ultra с областью построения 350х350х600 мм иGuider 3 с областью построения 350х250х340 мм. В этих системах нет ничего лишнего: 3D-принтер построен на мощном стальном шасси с кинематикой CoreXY на рельсовых направляющих и оснащен директ-экструдером и подогреваемым столиком.
Эти 3D-принтеры подойдут для 3D-печати большинством композитов с указанным выше ограничением по температуре экструзии, а большой рабочий объем поможет экономить время на сборке и склейке крупногабаритных изделий.
Picaso 3D Designer X Series 2
Второе поколение 3D-принтеров на платформе X от зеленоградской компании Picaso 3D заточено на профессиональную 3D-печать максимально широким ассортиментом материалов. Эти системы предлагаются в четырех вариантах — одноэкструдерном и двухэкструдерном Designer X S2 и Designer X Pro S2 с областью построения 201х201х210 мм, плюс одноэкструдерном и двухэкструдерном Designer XL S2 и Designer XL Pro S2 c увеличенным рабочим объемом, достигающим 360х360х610 мм.
Все эти системы оборудованы не только подогреваемыми столиками, но и термостатированными камерами с активной регулировкой фоновой температуры, помогающими не только бороться с преждевременной термоусадкой, но и добиваться оптимальной рекристаллизации полукристаллических полимеров. Кроме того, хотэнды этих аппаратов разогреваются максимум до 430°С, позволяя работать даже с наиболее тугоплавкими конструкционными термопластами и полимерными композитами — PEEK, PEKK, PEI и другими.
CreatBot F430 PEEK
Еще одна профессиональная аддитивная система, на этот раз от китайской компании CreatBot. 3D-принтеры CreatBot F430 оснащены двумя экструдерами, в варианте PEEK прогреваемыми до 400°С максимум, опять-таки позволяя работать с любыми полимерами и композитами.
Столик оборудован силиконовым нагревательным элементом, а в камере поддерживается температура до 70°С. Программным обеспечением служит CreatWare — собственный, слегка переработанный вариант популярного слайсера Cura.
Intamsys Funmat HT
Компания Intamsys специализируется на высокотемпературных 3D-принтерах, а Funmat HT — самая доступная модель в ассортименте. Эти настольные аппараты способны выращивать изделия размером до 260х260х260 мм, используя полный диапазон полимерных материалов — от акрилонитрилбутадиенстирола (ABS) и нейлона до поликарбоната и полиэфирэфиркетона (PEEK).
Для работы с тугоплавкими полимерами и композитами на их основе предусмотрен нагрев хотэнда до 450°С, столика — до 160°С, а камеры — до 90°С.
3D-печатное изделие из полиэфирэфиркетона (PEEK)
Как и положено профессиональной аддитивной системе, дополнительный функционал включает автоматическую калибровку, датчик филамента и систему сохранения и возобновления рабочих процессов на случаи внепланового отключения электропитания.
Total Z G5
G5 — российский аналог Intamsys Funmat HT. Разработчики Total Z G5 пошли дальше и добавили второй экструдер, заодно увеличив рабочий объем до 300х300х300 мм. Хотэнды разогреваются до 450°С, а термостатированная рабочая камера поддерживает фоновые температуры до 300°С, обеспечивая совместимость с любыми видами полимеров. Все электронные и электромеханические компоненты вынесены за пределы прогреваемого объема, система позиционирования построена на прецизионных рельсовых направляющих.
Что особенно интересно, эта система может быть оборудована опциональным шнековым экструдером для 3D-печати гранулированными материалами. В стандартной комплектации Total Z G5 способен работать с тугоплавкими конструкционными термопластами и композитами на их основе, включая материалы на основе полиэфирэфиркетона (PEEK), полиэфиркетонкетона (PEEK), полиэфиримида (PEI, Ultem) и других высокопрочных полимеров.
Подробнее про композиты для FDM 3D-печати можно узнать в материале по этой ссылке.
Если у вас остались вопросы, свяжитесь с нами, и наши специалисты будут рады предоставить подробные консультации и помочь с выбором расходных материалов и оборудования под конкретные задачи.
Приобрести ЧПУ или 3Д технику и расходные материалы, задать свой вопрос, или сделать предложение, вы можете, связавшись с нами:
$$
