Выбор материала и его влияние на механические свойства в 3D-печати

Выбор материала является одним из наиболее важных решений в аддитивном производстве, в корне формируя механические свойства, функциональность и пригодность для применения 3D-печатных объектов.Механическая прочность деталей, разработанных 3D-печатью, является предметом исследований, что делает обоснованный выбор материала необходимым для инженеров, дизайнеров и производителей, стремящихся оптимизировать свои печатные компоненты для конкретных вариантов использования.

Связь между выбором материала и механическими характеристиками выходит далеко за рамки простых соображений прочности. Различные материалы предлагают различные уровни прочности на разрыв, гибкости, долговечности, ударопрочности, теплостойкости и химической стойкости. Понимание этих свойств и того, как они взаимодействуют с процессами печати, позволяет практикующим специалистам создавать детали, которые отвечают точным спецификациям, балансируя затраты, печатаемость и требования после обработки.

Понимание категорий материалов в 3D-печати

Существуют десятки пластиковых материалов, доступных для 3D-печати, каждый из которых обладает уникальными качествами, которые делают его наилучшим образом подходящим для конкретных вариантов использования. Помимо пластмасс, ландшафт аддитивного производства включает смолы, металлы, композиты и специализированные материалы, каждый из которых предлагает различные преимущества для различных применений.

Термопластики: основа FDM-печати

Термопластики являются наиболее часто используемым типом пластика, основной особенностью которого является их способность проходить через многочисленные циклы плавления и затвердевания. Эта характеристика делает их идеальными для процессов моделирования сплавленного осаждения (FDM) и изготовления сплавленных нитей (FFF).

3D-принтеры плавят и экструдируют термопластичные нити, которые слой за слоем накладываются на форсунки принтера в области сборки. Наиболее распространенные термопластичные материалы включают PLA, ABS, PETG и нейлон, каждый с различными механическими характеристиками.

PLA, наиболее распространенный печатный пластик, хорошо печатает и обладает достойными механическими свойствами, однако его полное отсутствие термостойкости и низкая долговечность делают его невозможным для использования в промышленных условиях. Несмотря на эти ограничения, PLA остается популярным для прототипирования, образовательных проектов и декоративных предметов из-за его простоты использования и низкой тенденции деформации.

ABS обладает превосходной термостойкостью, но не особенно прочен и плохо реагирует с большинством производственных химикатов. Этот материал обеспечивает хорошую ударопрочность и может выдерживать более высокие температуры, чем PLA, что делает его пригодным для автомобильных деталей интерьера, электронных корпусов и функциональных прототипов, которые испытывают умеренное тепловое напряжение.

PETG, печатное подмножество полиэтилена, представляет собой нечто среднее между ними: немного сильнее, чем ABS, и немного более термостойким, чем PLA, но все же недостаточно прочным для большинства производственных сред. PETG сочетает в себе простоту печати с улучшенными механическими свойствами, предлагая лучшую адгезию слоя и ударопрочность, чем PLA, будучи менее подверженным деформации, чем ABS.

Инженерно-классные термопласты

Помимо основных термопластов, материалы инженерного класса предлагают значительно улучшенные механические свойства для требовательных применений.Наиболее распространенным материалом для селективного лазерного спекания является нейлон, популярный инженерный термопласт с отличными механическими свойствами, который является легким, сильным и гибким, а также стабильным от удара, химикатов, тепла, ультрафиолетового света, воды и грязи.

Полиамид 12 является популярным материалом для 3D-печати с улучшенными механическими свойствами, решающими такие проблемы, как низкая прочность на прочность и растяжение, а также предлагает большую ударную прочность, необходимую в частях, которые требуют гибкости. Это делает материалы на основе нейлона особенно ценными для шестерен, подшипников и других механических компонентов, подверженных трению и износу.

Поликарбонат (ПК) представляет собой еще один шаг вперед в производительности. ПК - это высокопроизводительный материал, известный своей прочностью, термостойкостью, стабильностью размеров и высокой оптической четкостью, демонстрирующий отличные механические свойства, высокую прочность и ударопрочность. Однако ПК требует более высоких температур печати и тщательного управления влагой для достижения оптимальных результатов.

Высокопроизводительные полимеры

На вершине полимерных характеристик находятся такие материалы, как PEEK (полиэфиретеркетон) и PEKK (полиэфиркетонетон). PEEK HDT колеблется от примерно 150-160°C (незаполненный), до 315°C с углеродным волокном, в то время как PEKK HDT похож на PEEK и часто легче печатается. Эти материалы предлагают экстремальную химическую и износостойкость, что делает их пригодными для аэрокосмических, медицинских и высокотемпературных промышленных применений.

Компромиссом для этих исключительных свойств является сложность и стоимость. Эти материалы требуют очень высоких температур сопла (370-400°C) и закрытых нагревательных камер, и очень дороги. Несмотря на эти проблемы, они позволяют применять металлические компоненты, предлагая экономию веса и гибкость конструкции.

Термореактивные смолы для печати SLA

Стереолитография (SLA) 3D-принтеры используют лазер для лечения термореактивных жидких смол в затвердевший пластик в процессе, называемом фотополимеризацией. В отличие от термопластов, термореактивные смолы подвергаются необратимым химическим изменениям во время отверждения, создавая жесткие, сшитые структуры.

SLA 3D печать является очень универсальным, предлагая составы смолы с широким спектром оптических, механических и термических свойств, чтобы соответствовать стандартным, инженерным и промышленным термопластам, а также предлагает самый широкий спектр биосовместимых материалов. Эта универсальность делает SLA идеальным для приложений, требующих высокой детализации, гладкой отделки поверхности и специализированных свойств материала.

SLA предлагает самый широкий выбор 3D-печатных пластмасс с большим диапазоном механических свойств, хотя и обратите внимание, что ударные силы, как правило, намного ниже, чем у обычных термопластов с инжекторной формовкой. Это ограничение должно учитываться при проектировании деталей для применений, связанных с ударными нагрузками или ударными силами.

Металлические материалы для промышленного применения

Металлическая 3D-печать произвела революцию в производстве высокопроизводительных приложений. SLM и DMLS 3D-принтеры могут создавать прочные, точные и сложные металлические изделия, что делает этот процесс идеальным для аэрокосмических, автомобильных и медицинских применений.

Обычные металлические материалы включают титан, нержавеющую сталь, алюминий и специализированные сплавы. Титан легкий и имеет отличные механические характеристики, будучи прочным, твердым и высокостойким к теплу, окислению и кислоте. Нержавеющая сталь обладает высокой прочностью, высокой пластичностью и устойчива к коррозии.

Алюминий - легкий, прочный, прочный материал с хорошими тепловыми свойствами, что делает его популярным для аэрокосмических и автомобильных компонентов, где снижение веса имеет решающее значение. Стальная сталь - это твердый, устойчивый к царапинам материал, который можно использовать для печати инструментов конечного использования и других высокопрочных деталей.

Ученые нашли многообещающий новый способ производства одного из самых прочных материалов в отрасли - карбида вольфрама - кобальта - с использованием передовой 3D-печати, демонстрируя продолжающуюся эволюцию технологий металлического аддитивного производства.

Механические свойства и их значение

Понимание механических свойств материалов 3D-печати имеет важное значение для выбора правильного материала для каждого применения. Эти свойства определяют, как деталь будет работать при различных условиях нагрузки, экологических нагрузках и эксплуатационных требованиях.

Сила и эластичность растяжения

Прочность на растяжение измеряет сопротивление материала растягиванию, а эластичность описывает его способность возвращаться к первоначальной форме после деформации.Различные процессы 3D-печати и их параметры процесса влияют на механические свойства деталей, в частности на усталость, растяжение, прочность на изгиб и т. д., в первую очередь фокусируясь на полимерных материалах.

Растягивающие свойства 3D-печатных деталей часто отличаются от свойств традиционно изготавливаемых компонентов из-за процесса послойной конструкции.В натяжении сцепление дороги и слоя к слою, усадка дорог и более высокая пористость в некоторых ориентациях влияет на свойства материала печатных деталей и вызывает анизотропию.

Это анизотропное поведение означает, что части могут проявлять различные силы в зависимости от направления приложенных сил относительно ориентации печати.Ориентация растра в плоских образцах сборки выявляет анизотропное поведение в образцах ПК, поскольку модули и силы варьируются до 20%, с аналогичными изменениями, также наблюдаемыми в сдвигах для ПК.

Устойчивость и жесткость воздействия

Устойчивость к ударам описывает способность материала поглощать энергию во время внезапной нагрузки без разрыва, в то время как твердость представляет собой общую энергию, которую материал может поглощать до отказа. Эти свойства имеют решающее значение для деталей, которые могут испытывать ударные нагрузки или случайные воздействия во время использования.

HIPS обладает многими механическими свойствами с ABS-пластиком, но, как следует из названия, он обладает гораздо более высокой устойчивостью к ударам, что делает его отличным выбором для создания прочных деталей с 3D-печатью, которые могут выдерживать повседневный износ. Это делает HIPS ценным для защитных ограждений, ручек инструментов и потребительских товаров.

ABS — лёгкий материал, известный своей высокой ударопрочностью, и эти характеристики в сочетании с высокой температурой отклонения тепла делают ABS пригодным для широкого спектра применений и сред.Сочетание ударопрочности и термостойкости делает ABS материалом для рабочей лошадки для функциональных прототипов и деталей конечного использования.

Температура теплового отклонения и термостабильность

Температура отклонения тепла (ТПТ) указывает на температуру, при которой материал начинает деформироваться при заданной нагрузке. Это свойство имеет решающее значение для деталей, которые будут работать в условиях повышенной температуры или вблизи источников тепла.

PA 12 40% Glass-Filled Black предлагает температуру отклонения тепла 248 градусов F (120 градусов C) при измерении при 264 пси, демонстрируя, как наполнитель материалы могут значительно повысить тепловые характеристики. Стекло-наполненные материалы обычно предлагают улучшенную стабильность размеров и термостойкость по сравнению с их ненаполненными аналогами.

ASA обладает отличными механическими свойствами наряду с хорошей устойчивостью к химическим веществам и температуре перехода стекла (100°C). ASA обладает отличными механическими свойствами с ABS, но предлагает дополнительные преимущества, будучи более устойчивым к ультрафиолетовым лучам и суровым погодным условиям, что делает его особенно подходящим для наружного использования.

Гибкость и эластомерные свойства

Некоторым приложениям требуются материалы, которые могут многократно сгибаться, растягиваться или сжиматься без постоянной деформации.Эластомерные материалы заполняют эту нишу в 3D-печати.

Материал TPU славится своей превосходной гибкостью, высокой эластичностью, сопротивлением разрыву, износостойкостью, сопротивлением разрезам, прочностью и долговечностью.Эти свойства делают TPU идеальным для уплотнений, прокладок, гибких петель и носимых устройств, которые должны соответствовать контурам тела или приспосабливаться к движению.

Стандартная гибкая 80А представляет собой эластомерную смолу, разработанную для печати жестких, гибких деталей, которые повторяют гибкость резины, и представляет собой высоковязкий материал, который требует постотверждения для достижения его оптимальных механических свойств. Это демонстрирует, что даже в гибких материалах постобработка может значительно повлиять на конечные эксплуатационные характеристики.

Химическая и экологическая устойчивость

Многие приложения требуют материалов, которые могут выдерживать воздействие химических веществ, влаги, ультрафиолетового излучения или других факторов окружающей среды без деградации.

Полипропилен (ПП) является популярным материалом в 3D-печати, ценится за его универсальность, прочность и химическую стойкость, будучи легким и гибким, хорошо поддаваясь кислотам, основаниям и органическим растворителям. Это делает ПП пригодным для оборудования для химической обработки, лабораторных компонентов и контейнеров.

Влияние УФ-излучения и повышенной температуры на механические свойства материала НОАК приводит к снижению модуля растяжения и предельной прочности за счет температуры и воздействия УФ-излучения.Понимание этих механизмов деградации имеет важное значение для прогнозирования долгосрочных характеристик и выбора подходящих материалов для наружной или высокоуФ-среды.

Композитные материалы: повышение производительности за счет усиления

Композитные материалы объединяют базовые полимеры с арматурными волокнами или частицами для создания материалов с превосходными механическими свойствами. Эти материалы преодолевают разрыв между стандартными пластмассами и металлами, обеспечивая повышенную производительность при сохранении свободы конструкции и преимуществ в стоимости полимерной печати.

Композиты с усилителем волокна

Термопластичные нити, наполненные углеродными волокнами, повышают прочность и жесткость, обеспечивая повышенную прочность и жесткость наряду с улучшенной стабильностью размеров. Углеродное армирование волокна может значительно улучшить соотношение прочности и веса печатных деталей, что делает их конкурентоспособными с металлическими компонентами в некоторых приложениях.

Части с непрерывным укреплением волокна на порядок сильнее, жестче и долговечнее, чем пластмасса (наполненная или нет) и поддерживают термостойкость, химическую стойкость и качество печати их термопластичного матричного материала, с возможностью печати нарезанного углеродного волокна с усиленным нейлоном (Onyx) с непрерывным усилением волокна.

Серо-голубой композитный нейлоновый порошок, усиленный 40% стеклянными бусинами, создает детали с 3D-печатью с исключительной жесткостью и термостойкостью, при этом частота повторного использования порошка достигает 100%. Укрепление стеклянных бусин предлагает различные преимущества, чем укрепление волокон, обеспечивая улучшенную жесткость и износостойкость при сохранении большего количества изотропных свойств.

Материалы, заполненные частицами

Помимо армирования волокнами, материалы могут быть улучшены с помощью различных наполнителей частиц для улучшения конкретных свойств. PA12 40% Glass-Filled (PA614-GS) представляет собой порошок PA, нагруженный стеклянными сферами, которые делают его жестким и размерно стабильным, что делает его идеальным кандидатом для деталей, которые требуют долгосрочных свойств износостойкости.

Однако заполненные материалы имеют компромиссы. Композиты из углеродного волокна могут быть абразивными для насадок (требуются закаленные стальные насадки), могут быть более хрупкими, чем ненаполненные пластмассы, и являются более дорогими. Эти соображения должны учитываться в решениях о выборе материала, особенно для производства большого объема.

Металлопластические композиты

Новые композитные технологии объединяют металлические частицы с полимерными связующими для создания материалов, которые могут быть напечатаны на модифицированном оборудовании FDM, а затем спекаются для производства полностью металлических деталей. Атомное диффузионное аддитивное производство (ADAM) основано на существующей технологии металлического изготовления металлического литья под давлением (MIM), используя процесс на основе FFF для печати металлического порошка, заключенного в пластиковое связующее, с печатными частями, помещенными в ванну с растворителем для удаления связывающего материала и спекаемого в полностью металлические части.

Этот подход предлагает более доступную точку входа в 3D-печать металла по сравнению с технологиями термоядерного синтеза, хотя и с некоторыми ограничениями в выборе материала и размерах деталей.

Критические факторы, влияющие на выбор материала

Выбор оптимального материала для проекта 3D-печати требует балансировки нескольких конкурирующих факторов.При принятии решения о том, какой тип материала использовать для вашего проекта 3D-печати, важно учитывать несколько ключевых факторов, поскольку выбор правильного материала может быть важной частью создания сильных и успешных 3D-печатей.

Механические требования и условия загрузки

Основное внимание при выборе материала уделяется тому, может ли материал выдерживать механические нагрузки и напряжения, которые будет испытывать деталь во время использования. Это включает статические нагрузки, динамические нагрузки, циклическую нагрузку, ударные силы и комбинированные сценарии нагрузки.

Части, используемые для испытаний, должны точно имитировать механические свойства конечного продукта, при этом прочность и прочность имеют решающее значение для обеспечения точной проверки. Для функциональных прототипов выбор материалов, которые точно представляют производственные материалы, позволяет проводить более надежное тестирование и валидацию.

Компоненты, предназначенные для реального использования, должны справляться с повторяющимся стрессом, воздействием окружающей среды и долгосрочным износом, при этом необходима долговечность и консистенция. Для деталей конечного использования требуются материалы, которые могут поддерживать свои свойства в течение ожидаемого срока службы, что учитывает усталость, ползучесть и ухудшение состояния окружающей среды.

Печатность и совместимость процессов

Не все материалы работают со всеми процессами 3D-печати, и даже совместимые материалы могут требовать определенных возможностей оборудования или параметров процесса.Различные материалы 3D-печати и процессы 3D-печати пластика имеют свои сильные и слабые стороны, которые определяют их пригодность для различных применений.

Принтируемость материала охватывает такие факторы, как тенденция к деформации, адгезия слоя, требования к поддержке и чувствительность к условиям окружающей среды во время печати. PLA легко печатается с низкими парами и низким деформированием, хорошо подходит для подробных отпечатков, но имеет низкую термостойкость (HDT около 55 ° C) и может быть хрупким.

Напротив, ABS является прочным, ударопрочным термопластом, известным своей прочностью, предлагающим высокую ударопрочность и хорошую термостойкость (HDT около 80-100°C) с возможностью постобработки с сглаживанием паров ацетона, но требует более высоких температур печати, склонен к деформации и выделяет пары (требует хорошей вентиляции).

Расчеты расходов

Стоимость материалов резко варьируется по всему спектру материалов 3D-печати, от недорогих товарных термопластов до экзотических высокоэффективных полимеров и металлов. металл 3D-печати поставляется с дополнительными ограничениями с точки зрения доступности материалов, ограничений проектирования, требовательных требований к производству и постобработке и, как правило, более трудоемких, дорогих предприятий.

Даже когда металлические материалы доступны, 3D-печать металлической детали по-прежнему часто дороже, чем традиционное производство, при этом неудачная печать стоит сотни или тысячи долларов только в материальных затратах, а неслитые металлические порошки часто не могут быть переработаны, что увеличивает как отходы, так и затраты на материалы.

Для многих применений пластмассы инженерного класса или композиты могут обеспечить достаточную производительность при доле стоимости металлической печати. пластик инженерного класса, такой как COR Alpha, предлагает превосходное соотношение прочности к весу, чем металл, демонстрируя, что более высокая стоимость не всегда равна лучшей производительности для данного приложения.

Условия экологической эксплуатации

Окружающая среда, в которой будет работать часть, существенно влияет на выбор материала.Температурные экстремумы, влажность, воздействие ультрафиолета, химический контакт и другие факторы окружающей среды могут резко повлиять на производительность материала и долговечность.

Наблюдалось воздействие УФ-излучения, высокотемпературных сред, сред с высокой влажностью, температурных циклов и воздействия погодных условий, причем параметры, полученные в результате испытаний (прочность на растяжение и твердость берега D), статистически оценивались для оценки влияния факторов деградации на свойства отдельных материалов.

Циклы FT на напечатанных FDM 3D образцах вызвали снижение прочности на растяжение и модуля упругости, подчеркнув важность рассмотрения теплового цикла при выборе материала для деталей, которые будут испытывать повторяющиеся колебания температуры.

Постпроцессуальные требования

Многие детали, напечатанные на 3D-принтере, требуют постобработки для достижения конечных свойств или внешнего вида.Постобработка может включать удаление опоры, отделку поверхности, термическую обработку, химическую обработку или нанесение покрытия.

Проведена аналитическая оценка для выявления потенциального выщелачивания полимеров или компонентов смолы в окружающую среду при автоклавировании и для изучения того, сохраняют ли механические свойства материалов постстерилизацию.Для медицинских и лабораторных применений важна способность стерилизовать детали без ухудшения их свойств.

Воздействие влаги и ультрафиолетового света может со временем изменить внешний вид, размер и механические свойства деталей, напечатанных на SLA, что указывает на то, что некоторые материалы могут потребовать защитных покрытий или обработки для длительного использования на открытом воздухе.

Сложность дизайна и геометрические требования

Различные материалы и процессы обеспечивают различные уровни геометрической сложности, разрешения характеристик и отделки поверхности. SLA является хорошим выбором для косметических деталей из-за гладкой отделки поверхности и тонкой детализации, что делает его идеальным для деталей, где внешний вид и детали имеют первостепенное значение.

Части SLS долговечны и подходят для быстрого прототипирования, функционального тестирования и конечных применений, и, как и SLS, MJF использует термопластичные материалы, поэтому детали долговечны и подходят для прототипирования и конечных применений. Эти процессы на основе порошка превосходят производство функциональных частей с хорошими механическими свойствами и способностью создавать сложные внутренние геометрии без опорных конструкций.

Стратегии отбора материалов для общих применений

Различные категории применения имеют характерные требования, которые определяют выбор материала. Понимание этих общих вариантов использования помогает упростить процесс выбора материала.

прототипирование и концептуальные модели

Для прототипирования на ранней стадии и визуализации концепции простота печати, стоимость и скорость часто имеют приоритет над конечными механическими характеристиками. Стандартные смолы производят высокопрочные отпечатки с высоким разрешением с гладкой литьевой обработкой, что делает их идеальными для приложений прототипирования.

Популярность PLA для концептуальных моделей сохраняется благодаря простоте использования, широкой цветовой доступности и низкой стоимости, однако для прототипов, которые пройдут функциональное тестирование, следует выбирать материалы, лучше представляющие производственные свойства.

Функциональное тестирование и валидация

Части, предназначенные для функционального тестирования, должны точно представлять механическое поведение производственных компонентов. Для этого часто требуются материалы инженерного класса, которые могут выдерживать повторные циклы испытаний и реалистичные условия загрузки.

Селективная лазерная спекание (SLS) 3D-печать пользуется доверием инженеров и производителей в различных отраслях промышленности за ее способность производить прочные, функциональные детали, с низкой стоимостью на деталь, высокой производительностью и установленными материалами, что делает технологию идеальной для целого ряда применений от быстрого прототипирования до производственных вспомогательных средств.

Конечные производственные части

Для изготовления деталей требуются материалы, которые могут сохранять свои свойства в течение ожидаемого срока службы, удовлетворяя при этом все функциональные, экологические и нормативные требования.Экономические и технические преимущества, предлагаемые 3D-печатью, делают ее потенциальной заменой обычным производственным процессам, особенно для разработки сложных и оптимизированных продуктов.

Для применения в производстве критическими соображениями становятся согласованность материалов, доступность и долгосрочная стабильность свойств.Результаты показали, что даже между отдельными производителями одной и той же нити накала существуют различия, как в механических свойствах, так и в поведении материала после воздействия эффектов деградации, что подчеркивает важность квалификации материала и выбора поставщика для использования в производстве.

Столбование и производство СПИДа

Для изготовления вспомогательных средств требуются материалы, которые могут выдерживать механические нагрузки и многократную обработку при сохранении стабильности размеров. Конструкторы, приспособления и инструментальные средства часто испытывают повторяющиеся циклы использования и должны поддерживать жесткие допуски на протяжении всего срока службы.

Стеклянные нейлоны и другие усиленные материалы превосходят в инструментах благодаря сочетанию жесткости, износостойкости и стабильности размеров.Для высокотемпературных применений могут потребоваться материалы, такие как PEEK или металлическая печать.

Медицинские и биосовместимые приложения

Медицинские приложения предъявляют строгие требования к биосовместимости, стерилизации и нормативному соблюдению.Хотя биосовместимые смолы теперь коммерчески доступны, их функциональные характеристики и долгосрочная безопасность недостаточно изучены, при этом это исследование направлено на облегчение интеграции материалов 3D-печати в стандартные биотехнологические лабораторные рабочие процессы путем изучения жизнеспособности автоклавирования как метода стерилизации.

Титан обладает высокой прочностью, легковесен, обладает отличной коррозионной стойкостью, а также биосовместим, что делает его материалом выбора для многих имплантируемых медицинских устройств.Кобальто-хромные сплавы обладают высокой износостойкостью и являются биосовместимыми, часто используются в медицинских имплантатах.

Аэрокосмические и высокопроизводительные приложения

Аэрокосмические приложения требуют материалов, которые предлагают исключительные соотношения прочности к весу, термостойкость и надежность. PEEK и PEKK используются в аэрокосмической и медицинской областях, являясь лучшими для стерильных медицинских инструментов, деталей реактивных самолетов и компонентов химического насоса.

Металлическая печать играет значительную роль в аэрокосмических приложениях, где традиционное производство было бы непомерно дорогим или невозможным.Способность создавать сложные внутренние каналы охлаждения, легкие решетчатые конструкции и консолидированные сборки делает металлическую 3D-печать ценной, несмотря на ее более высокую стоимость.

Новые тенденции в 3D-печати материалов

Область 3D-печати материалов продолжает быстро развиваться, с новыми материалами и процессами, расширяющими возможности аддитивного производства.

Многоматериальная и градиентная печать

Многометаллическая AM наберет обороты, а научные круги и исследовательские институты все чаще изучают многометаллическую AM, и эта прорывная технология, как ожидается, станет заголовком в 2026 году. Многоматериальная печать позволяет создавать детали с пространственно различными свойствами, сочетая преимущества различных материалов в одном компоненте.

PolyJet использует процесс струйного струйного ствола, в котором небольшие капли жидкого фотополимера оседают на платформу сборки и отверждаются слоями, которые образуют эластомерные части, и могут печатать детали с несколькими цветами и твердостью. Эта возможность позволяет создавать детали с мягкими касаниями, интегрированными уплотнениями или различными зонами жесткости.

Устойчивые и перерабатываемые материалы

Экологические проблемы стимулируют разработку устойчивых материалов для 3D-печати.Исследование пригодности перерабатываемых материалов для 3D-печати позволило за меньшее время печатать большие объемы полимеров и снизить стоимость пластиковых компонентов, поскольку гранулы и переработанный пластик являются более дешевыми исходными материалами.

Биоразлагаемые материалы, такие как PLA, предлагают преимущества в конце срока службы, хотя их механические свойства и устойчивость к воздействию окружающей среды ограничивают их применение. Исследования продолжаются в материалах, которые сочетают устойчивость с высокой производительностью.

Усовершенствованный контроль процессов и оптимизация материалов

Конвергенция возможностей формирования лазерного луча, объемного инструментария и открытых аппаратных систем может быть объединена, чтобы обеспечить невероятно эффективный контроль уровня тонкозернистого вокселя, с инструментами CAD / CAE, необходимыми для того, чтобы инженеры могли лучше определять эту объемную информацию, с обратной связью от моделирования, эмпирического тестирования и, возможно, даже небольшого увеличения ML.

Этот уровень контроля обещает обеспечить возможность создания действительно инженерных материалов со свойствами, которые варьируются по всей детали, оптимизированных для локальных напряжений и функциональных требований. Такие возможности могут размыть грань между выбором материала и дизайном детали, создавая новые парадигмы для инженерной оптимизации.

Лучшие практики для выбора материала

Успешный отбор материала требует системного подхода, учитывающего все соответствующие факторы и ограничения.

Определить требования четко

Начните с четкого определения всех требований, которым должна соответствовать деталь, включая механические нагрузки, условия окружающей среды, допуски размеров, отделку поверхности, нормативные требования и ограничения по стоимости. Документируйте как минимальные приемлемые значения, так и целевые значения для критических свойств.

Рассмотрим полный жизненный цикл

Оцените материалы на основе их производительности на протяжении всего жизненного цикла, от печати до конца срока службы.Подумайте, как свойства могут меняться с течением времени из-за воздействия окружающей среды, циклической нагрузки или других механизмов деградации.

Прототип и тест

По возможности, печатайте образцы для испытаний или прототипы деталей в материалах-кандидатах и подвергайте их реалистичным условиям тестирования.Проведенное обширное тестирование сдвига указывает на необходимость тестирования сдвига, чтобы полностью понять поведение материала, напечатанного на 3D-принтере, демонстрируя, что всестороннее механическое тестирование дает представление о том, что только листы данных материала не могут.

Учет анизотропии и печатной ориентации

Помните, что 3D-печатные детали часто проявляют анизотропные свойства из-за процесса строительства слой за слоем. FDM приводит к анизотропным частям, что важно учитывать при проектировании деталей, предназначенных для переноса нагрузки или сопротивления тяге. Восточные детали во время печати выравнивают самое сильное направление с основным направлением загрузки, когда это возможно.

Консультирование по вопросам материальных данных и экспертов

Используя богатство информации, доступной от поставщиков материалов, производителей оборудования и экспертов отрасли, таблицы данных материалов предоставляют ценные исходные данные, хотя фактические свойства могут варьироваться в зависимости от параметров печати и оборудования.

Учитывайте общую стоимость владения

Если не учитывать стоимость материала за килограмм, то можно рассмотреть общую стоимость изготовления готовых деталей, включая время печати, частоту отказов, требования к постобработке и потребности в оборудовании. Более дорогой материал, который надежно печатает и требует минимальной постобработки, может быть более экономичным, чем более дешевый материал с более высокими показателями отказов.

Заключение

Выбор материала в корне определяет успех проектов 3D-печати, влияя на механические свойства, функциональность, стоимость и пригодность для применения. Для инженеров, дизайнеров продуктов и производителей выбор правильного материала имеет важное значение для раскрытия полного потенциала 3D-печати, определения того, подходит ли деталь только для прототипирования - или прочная, долговечная и химически устойчивая достаточно для конечного использования производства.

Расширяющаяся вселенная материалов 3D-печати - от базовых термопластов до высокопроизводительных полимеров, композитов и металлов - обеспечивает беспрецедентную гибкость для соответствия материалов приложениям. Однако этот выбор требует систематической оценки механических требований, условий окружающей среды, совместимости процессов, ограничений затрат и потребностей после обработки.

Достижения в области материаловедения продолжают расширять то, что возможно с помощью 3D-печати, с новыми материалами, разрабатываемыми для обеспечения улучшенной прочности, лучшей термостойкости и повышенной долговечности, что делает его все более жизнеспособным для приложений производственного класса.По мере того, как материалы и процессы продолжают развиваться, разрыв между 3D-печатными деталями и традиционно изготовленными компонентами продолжает сужаться, что позволяет создавать новые приложения и возможности проектирования.

Успех в выборе материала происходит от понимания не только индивидуальных свойств материала, но и того, как эти свойства взаимодействуют с требованиями к дизайну, процессами печати и реальными условиями эксплуатации.Приняв целостный подход к выбору материала - учитывая полный жизненный цикл от проектирования до конца срока службы - инженеры и дизайнеры могут полностью использовать возможности аддитивного производства для создания деталей, которые отвечают строгим спецификациям, оптимизируя стоимость, производительность и устойчивость.

Для получения дополнительной информации о технологиях и материалах 3D-печати посетите Полное руководство по материалам Formlabs , изучите Ресурсы выбора материалов Protolabs или проконсультируйтесь с Недавние исследования по 3D-печатным частям и механическим свойствам . Кроме того, таблицы сравнения свойств материалов предоставляют ценные данные для сравнения материалов-кандидатов, в то время как руководства по материалам, ориентированным на инженерию предлагают практические идеи для промышленных применений.