Матеріали для друку, на які розраховано 3D-принтер.
Більшість сучасних технологій 3D-друку (див. вище) передбачають можливість використання більше ніж одного матеріалу, причому ці матеріали помітно розрізняються за властивостями. Тому вибір матеріалів обмежується не лише технологією, а й можливостями конкретного принтера, і при виборі цим параметром не можна нехтувати. На сьогодні можна зустріти переважно пристрої, розраховані на такі матеріали (за абеткою):
ABS пластик,
ASA,
BVOH,
Carbon,
CPE,
Flex,
HIPS,
Nylon,
PC,
PETG,
PLA,
PP,
PVA,
SBS,
TPE,
Wood,
фотополімерна смола. Окрему категорію є харчовими 3D-принтерами, що дозволяють створювати скульптури з шоколаду, крему і т.п.
Ось опис матеріалів, що отримали у наш час найбільшого поширення (як згаданих вище, наприклад і деяких інших):
- ABS. Один із найпоширеніших у наш час
...різновидів термопластика; користується популярністю і у 3D-друку. При невисокій вартості ABS дуже практичний: готові вироби виходять міцними, досить стійкими до деформації та ударів, нечутливими до вологи та багатьма агресивними рідинами (лугами, маслами, великою кількістю миючих засобів); також мають непоганий температурний діапазон експлуатації (у середньому від -40 до 90 °З). А для плавки такого пластику потрібні порівняно низькі температури. Основних недоліків у ABS три. По-перше, це чутливість до прямого сонячного світла, швидке зношування в таких умовах (хоча тут все залежить від конкретного сорту). По-друге, цей матеріал виділяє шкідливі випари при нагріванні - наприклад що під час роботи бажано використовувати захисні засоби, або хоча б забезпечувати ефективну вентиляцію приміщення. По-третє, ABS схильний сильно прилипати до друкованого столу, що вимагає застосування різних додаткових хитрощів — нагріву столу, використання спеціального термоскотча тощо. Також зазначимо, що готові вироби з цього матеріалу мають шорстку поверхню, проте це може бути і перевагою. в залежності від ситуації.
- PLA. Ще один популярний матеріал для 3D-друку, прямий конкурент ABS. Однією з ключових переваг PLA вважається «натуральність» та екологічна безпека: він виробляється з рослинної сировини (переважно кукурудзи та цукрової тростини), є біорозкладним та безпечним при нагріванні. Крім того, цей різновид термопластика має нижчу температуру плавлення і практично не прилипає до друкованого столу. З іншого боку, зворотним боком згаданої екологічності є обмежений термін служби: PLA-пластик досить швидко розкладається (від кількох тижнів до кількох років, залежно від сорту). Інші помітні недоліки - ціна (майже вдвічі вища, ніж у ABS) і крихкість (що дещо ускладнює друк - сильно зігнута нитка легко ламається). Також варто мати на увазі, що цей вид пластику не розчиняється в ацетоні та потребує інших розчинників.
- Фотополімерна смола. Матеріал, що використовується для друку за технологіями SLA і DLP (див. «Технологія друку»), а також набув поширення в принтерах MJM, де він практично витіснив термопластики. Назва обумовлена тим, що у вихідному стані такій матеріал має рідку консистенцію, а твердне (полімеризується) він під впливом інтенсивного освітлення. У наш час існує велика різноманітність фотополімерних смол, що відрізняються за технологічними характеристиками (в'язкість, швидкість застигання, чутливість до світла) та практичним особливостям (застиглий фотополімер може мати властивості різних матеріалів). У будь-якому випадку друк з використанням подібних матеріалів відрізняється дуже високою точністю, проте фотополімери коштують помітно дорожче за термопластики.
- Nylon (нейлон). У 3D-друку нейлон використовується порівняно недавно, через що зустрічається рідше за інші популярні термопластики. У порівнянні з ABS цей матеріал вимагає більше високих температур, виділяє більше шкідливих речовин, а в готовому вигляді схильний накопичувати вологу і втрачати міцність, що висуває певні обмеження використання. З іншого боку, нейлонові вироби виходять не такими твердими, що в деяких випадках є перевагою — зокрема, при медичному застосуванні: з такого матеріалу можна друкувати шини та протези з характерною сітчастою структурою, що поєднують легкість і міцність.
А ось докладний опис інших, рідкісних матеріалів:
- ASA. Атмосферостійкий матеріал, створений для усунення основного недоліку ABS — чутливості до впливу навколишнього середовища (насамперед сонячного кольори). У результаті вийшов досить міцний і твердий матеріал, який у той же час досить простий у пресі і не втрачає своїх властивостей за тривалого перебування на відкритому повітрі. Вироби з ASA підходять навіть для використання в автомобілях; ще одна перевага цього виду термопластика - дуже невелика усадка при охолодженні. До недоліків можна віднести вищу вартість, ніж у ABS.
- BVOH. Допоміжний водорозчинний філамент, що використовується для друку підтримуючих конструкцій з виступами та нависаючими елементами, а також рухомих механізмів. BVOH - це абревіатура від Butenediol Vinyl Alcohol Copolymer (сополімер бутендіолу та полівінілового спирту). Фламент має відмінну міжшарову адгезію і добре спікається з матеріалом самої моделі, завдяки чому підтримки не відклеюються від деталі в процесі 3D-друку. Оптимальною температурою екструзії для цього пластику є діапазон від 210 до 220 °З. Матеріал легко розчиняється у звичайній воді - з його допомогою можна створити міцну основу в області, де потрібні опори, і отримати гладку поверхню без залишків нитки при використанні інших видів пластику (PLA, ABS і PET).
- Carbon. Друкарський матеріал на основі полімеру з додаванням вуглецевого волокна, розроблений компанією Carbon Inc і отримав назву. Він є чудовою альтернативою Nylon-пластику, має високу міжшарову адгезію і низьку деформаційну усадку. Також Carbon має високу міцність та стійкість до температурних впливів. Використовується цей матеріал для створення функціональних деталей, прототипів, інструментів, механічно навантажених деталей, корпусів для різних приладів, деталей для ремонту побутової техніки у найрізноманітніших галузях (включаючи автомобілебудування, медицину тощо). Пластик Carbon підходить практично для всіх настільних моделей 3D-принтерів.
- CPE. Сополіефір CPE – це хімічно стійкий та відносно міцний матеріал для друку, що характеризується високою ударною в'язкістю та стійкістю до температурних впливів. Він зазвичай включає поліетилен (PE) та поліефір у різних пропорціях. CPE має гарну міцність і гнучкість, що робить його придатним для створення функціональних деталей у різних сферах: прототипування, моделювання, виробництво функціональних деталей тощо. Рекомендована температура сопла для друку CPE-пластиком повинна бути від 230 до 260 °З. Температура друкованої платформи може різнитися залежно від принтера та розміру сопла — найчастіше вона знаходиться в діапазоні від 70 до 85 °З.
- Flex. Різновид термопластика на основі поліуретану, головною особливістю якого є гнучкість та еластичність готових виробів - звідси і назва. За своїми властивостями Flex нерідко порівнюють із твердим силіконом: він не боїться ударів, нечутливий до олії, бензину та багатьох інших агресивних рідин, зносостійкий та довговічний (хіба що робоча температура для готових виробів із цього виду пластику становить у середньому до 100 °С). Цей матеріал цілком підходить для FDM-друку (див. «Технологія друку»), проте він потребує спеціальних налаштувань; тому для використання Flex-пластика найкраще вибирати принтери, де сумісність із ним прямо заявлена.
- HIPS. Матеріал, що застосовується як допоміжний, — для створення опор під деталями, що знаходяться на вазі. Сумісність з HIPS може означати, що принтер має більше одного екструдера: через одне сопло в таких випадках подається основний матеріал, через інший матеріал опор. Втім, зустрічаються й моделі на одне сопло, сумісні з цим видом пластику – у них друк опор та основного виробу здійснюється по черзі. Як би там не було, після закінчення друку опори HIPS можна видалити за допомогою спеціального розчинника. У цьому плані даний вид термопластика дещо складніше у використанні, ніж аналогічний до застосування PVA (див. нижче), що розчиняється у звичайній воді; з іншого боку, як розчинник для HIPS можна використовувати звичайну лимонну кислоту, а стійкість до вологи спрощує зберігання розхідників. Також відзначимо, що цей матеріал рекомендується використовувати виключно у поєднанні з ABS: останній має схожі вимоги до режиму друку та не ушкоджується розчинниками для HIPS.
- PC. Пластик-полікарбонат (PolyCarbonate) із групи аморфних термопластів з високим ступенем прозорості. PC є одним із популярних матеріалів, що використовуються для створення прозорих або напівпрозорих деталей (лінз, захисних шоломів для вело- та мотоспорту, світлотехнічних виробів тощо). Полікарбонат має відмінну ударостійкість і стійкість до високих температур, не вступає в реакцію з багатьма хімічними речовинами, добре ізолює електрику. Пластик PC має високу температуру плавлення (від 150 ° С), яке плинність досягається при температурах порядку 280 – 300 ° З.
- PETG. Також трапляються позначення PET, PETT. Все це різновиди одного і того ж матеріалу: PET — оригінальний поліетилен, PETG доповнений гліколем для зниження крихкості та спрощення друку (завдяки чому є найбільш популярним у 3D-принтерах різновидом), а PETT прозорий і помітно жорсткіший за PETG. У будь-якому випадку за основними особливостями ці види термопластика є чимось середнім між популярними ABS і PLA: вони простіше у використанні, ніж перший варіант, і пластичніші, ніж другий. Головними недоліками PETG є схильність накопичувати вологу (у цьому плані даний матеріал схожий на нейлон) і менша стійкість до подряпин, ніж у того ж ABS.
- PP. Поліпропілен дуже популярний у різних виробах із пластику, однак у 3D-друку не набув особливого поширення — переважно через значну усадку та труднощі із забезпеченням потрібної якості з'єднання між шарами. Крім того, PP погано переносить низькі температури. У той же час цей матеріал має й переваги: він добре протистоїть стирання, має непогані показники міцності, до того ж безпечний у виробництві і хімічно інертний.
- PVA. Матеріал, відомий багатьом канцелярським клеєм ПВА. У 3D-друку використовується в принтерах як додатковий, аналогічно до описаного вище HIPS: з PVA друкуються опори та інші допоміжні елементи, які повинні бути видалені з готового виробу. При цьому цей матеріал має дві важливі переваги перед HIPS. По-перше, PVA розчиняється у воді, що позбавляє необхідності шукати спеціальні розчинники. По-друге, він може використовуватися не тільки з ABS, але й іншими термопластиками. Головний недолік цього матеріалу пов'язаний, знову ж таки, з розчинністю у воді: PVA потрібно зберігати в максимально сухих умовах, оскільки навіть підвищена вологість повітря може погіршити його властивості.
- SBS. Відносно новий вид термопластика, головною особливістю якого є прозорість: з SBS можна створювати вироби, що зовні практично не відрізняються від скляних (у тому числі пофарбовані в різні кольори). Крім того, цей матеріал гнучкіший і еластичніший, ніж ABS, що буває перевагою як у готових виробах, наприклад і в процесі друку: нитка, що надходить в екструдер, не зламається навіть при сильному перегині або значному розтягуванні. Міцність SBS досить висока, а завдяки хімічній інертності він підходить навіть для харчового посуду. Головні недоліки цього матеріалу - досить висока температура друку і низька адгезія між шарами, що ускладнює процес.
- TPE. Термопластичний еластомер, що поєднує в одному флаконі властивості пластику та гуми. TPE має високу еластичність та гнучкість, що дає змогу використовувати цей матеріал для створення гнучких та пружних деталей, які можуть деформуватися під тиском та повертатися до вихідної форми. Його застосовують для виготовлення ущільнювачів та прокладок, еластичних частин іграшок, взуття, чохлів для мобільних гаджетів, автомобільних деталей (в т.ч. елементів салону та покришок). TPE характеризується антиалергенними властивостями, стійкістю до подряпин, добрими адгезійними якостями.
- Wood. Різновид пластику PLA (див. вище), що має у складі дрібний деревний пил. Завдяки цьому вироби з такого матеріалу дуже схожі навпомацки на дерев'яні, а зовні можуть бути практично не відрізняються. Ще одна цікава особливість полягає в тому, що за рахунок зміни температури екструдера можна змінювати відтінок матеріалу: посилення нагріву призводить до потемніння дерева, що міститься в складі. Основні властивості Wood аналогічні PLA, а ось кількість тирси може бути різною; чим він вищий — тим ближчий готовий виріб до дерев'яного, проте нижчий його пружність і міцність. Власне, одним із недоліків цього матеріалу є відносно низька міцність. Також варто враховувати, що Wood погано сумісний із вузькими соплами (вони схильні забитися частинками дерева).
- PC. Полікарбонат - один з найбільш популярних у світі різновидів пластику і один з найміцніших і найнадійніших матеріалів, що використовуються в 3D-друку. Крім механічної міцності відрізняється стійкістю до нагрівання. З іншого боку, температура друку також має бути досить високою, до того ж її треба ретельно контролювати через значну усадку; а внаслідок гігроскопічності матеріалу під час роботи потрібно підтримувати ще й невисоку вологість. Все це помітно ускладнює друк, тому в цьому форматі полікарбонат використовується дуже рідко.
- PC/ABS. Суміш двох видів пластику, створена для того, щоб зробити полікарбонат більше придатним для 3D-друку при збереженні його основних переваг. Вироби з цього матеріалу виходять міцними, жорсткими, стійкими до ударів та нагрівання; а процедура друку хоч і досить складна, проте значно простіше, ніж у чистого PC.
- Carbon (Carbon Fiber). Композитний матеріал на основі вуглецевих волокон, доповнених термопластиковим наповнювачем - зазвичай нейлоном, хоча можливе застосування інших видів 3D-пластику (ABS, PLA і т. п.). Конкретні властивості такого матеріалу залежать від складу наповнювача та відсоткового вмісту волокон, проте є й загальні особливості. З одного боку, такій матеріал досить дорогий, проте в той же час міцніший і надійніший, ніж відповідний пластик без вуглецевого волокна; багато різновидів карбону з успіхом застосовуються для повнофункціональних деталей, що працюють під високими навантаженнями. Крім того, вуглеволокно надає матеріалу пружність. З іншого боку, для друку потрібні спеціальні сопла високої твердості з нержавіючої сталі або з рубіновим наконечником; м'якіші матеріали швидко сточуються через абразивні властивості вуглеволокна.
- TPU. Матеріал із класу наприклад званих пластичних еластомерів на основі поліуретану. Від інших матеріалів того ж класу відрізняється, з одного боку, вищою жорсткістю, з іншого — міцністю та стійкістю до низьких температур. При цьому TPU досить гнучкий і еластичний, якщо порівнювати його з термопластиками в цілому, а не тільки з поліуретановими пластичними еластомерами.
- PEEK. Термопластик напівкристалічного типу, що відрізняється високою міцністю, стійкістю до хімічних та теплових впливів, а також до стирання. Завдяки подібним властивостям PEEK може застосовуватися в деталях, що зазнають значних навантажень — рухомих частин механічних передач і навіть деталей автомобільних двигунів. З іншого боку, тугоплавкість вимагає високої температури під час друку та закритої термокамери, а сам матеріал обходиться недешево. Через це даний вид термопластика практично не використовується в побутових 3D-принтерах, основним його застосуванням є професійна сфера.
- HDPE. Різновид поліетилену, наприклад званий поліетилен низького тиску (високої густини). Дуже популярний матеріал серед сучасних пластиків, використовується у пластикових пляшках, багатьох різновидах харчової упаковки тощо; однак у 3D-друку популярністю не користується. Це пов'язано з рядом складнощів при пошаровому нанесенні: HDPE дуже швидко застигає, через що друкувати потрібно на високій швидкості — інакше адгезія між шарами може виявитися недостатньою. Крім того, даний вид поліетилену сильно схильний до усадки, тому друк вимагає рівномірного прогріву всієї моделі - а для цього потрібна закрита робоча камера і платформа, що нагрівається. З іншого боку, витратні матеріали дуже дешеві, їх можна отримувати найпростішою переробкою побутових відходів (тих пластикових пляшок).
- CoPET. Різновид поліетилену, дещо відрізняється за технологією виробництва від звичайного PET. За заявою авторів, за рахунок цього досягається більше висока надійність, довговічність і стійкість до впливів навколишнього середовища, ніж у ABS і PLA. При цьому CoPET недорогий і простий у використанні, оскільки має досить низьку температуру плавлення та відмінну адгезію між шарами. З іншого боку, експлуатаційні температури готових виробів теж невисокі — не більше 60 °С. Крім того, цей матеріал важкий у постобробці і не піддається стандартним розчинникам, а розчинники, що діють на нього, у багатьох країнах заборонені до вільного продажу.
- POM. Матеріал промислового рівня, що відрізняється високою міцністю, низьким тертям та стійкістю до холоду. Завдяки цьому з POM можна друкувати навіть шестерні та інші аналогічні деталі (у тому числі значні механічні навантаження), а також елементи підшипників. З іншого боку, сама процедура друку дуже складна, для неї потрібна закрита камера з ретельним контролем температури, оскільки матеріал відрізняється високою усадкою. Крім того, деталь із POM складно закріпити на друкованому столі через низьку адгезію: потрібен якісний клей, який непросто підібрати.
- Rubber. Термопластик, що за своїми властивостями нагадує гуму або каучук і близький до описаного вище пластику типу FLEX. Втім, порівняно з «флексом» Rubber ще м'якший і еластичніший; в той же час він міцний і добре протистоїть пошкодженням (хоча, з тієї ж причини важкий у механічній обробці). Один із характерних прикладів застосування цього матеріалу – друк коліс; крім того, він дуже стійкий до розчинників та ефективно протистоїть навіть досить агресивним середовищам, для яких не підходять менш стійкі матеріали. До однозначних недоліків даного типу пластику можна віднести насамперед високу температуру друку.
