3D-печать композитных материалов: Ознакомительное руководство

В аддитивном производстве может использовать широкий спектр материалов, от высокоэффективных термопластов, таких как PEEK, до металлов, пригодных для аэрокосмической промышленности, таких как титан.

Однако иногда инженеры хотят объединить свойства двух разных материалов, и один из лучших способов сделать это — использовать композиты. Композитные материалы, используемые в таких процессах, как FDM и SLS, обычно содержат базовый термопластический материал и армирующий элемент, такой как углеродное волокно. Соотношение между двумя элементами может варьироваться, как и способ интеграции армирующего материала.

Поскольку технологии 3D-печати продолжают совершенствоваться, использование композитов, пригодных для 3D-печати, становится все более распространенным. Их использование также не ограничивается промышленностью: в то время как некоторые композиты (например, порошки SLS) предназначены в основном для промышленного использования, другие (например, термопласты, армированные рубленым волокном) могут использоваться в 3D-принтерах FDM средней ценовой категории для любителей и профессионалов.

Эта статья служит вводным руководством по 3D-печати композитными материалами. В ней рассматриваются некоторые популярные композитные материалы и технологии композитной печати, объясняется разница между композитами из рубленого и непрерывного волокна, а также рассматриваются основные области применения и преимущества композитов для 3D-печати.

Проще говоря, композитный материал — это материал, состоящий из двух или более различных материалов. Специалист по 3D-печати композитов из компании Markforged определяет композиты как «состоящие из более чем одного материала, которые при объединении обладают свойствами, отличными от их исходных материалов».

Примеры композитов за пределами 3D-печати включают фанеру (слои различного деревянного шпона) и железобетон (бетон, усиленный стальными стержнями).

В 3D-печати композиты обычно представляют собой комбинацию термопластичного основного материала (матрицы) и армирующего элемента, такого как углеродное волокно, стекловолокно, графен или кевлар. (Обратите внимание, что смесь двух термопластов, таких как PLA + ABS, обычно называют смесью, а не композитом.) Базовые материалы могут быть практически любыми, но в промышленности обычно используются термопласты премиум-класса, которые имеют хорошие характеристики материала даже без армирующих элементов; к таким пластикам относятся PC, нейлон и PEEK.

Композиты могут принимать различные формы материалов, наиболее распространенными из которых являются смешанные порошки для селективного лазерного спекания (SLS) и смешанные нити для моделирования методом наплавления (FDM). Менее распространенными, но особенно интересными являются композиты, состоящие из основного материала в сочетании с непрерывными волокнами, которые с помощью новых процессов можно нанизывать или вплетать в термопластичные матрицы во время их печати. Для таких процессов обычно требуется два сопла: одно для нанесения термопласта, а другое для распределения непрерывных волокон. Наконец, существует также ограниченное количество композитных смол для процессов 3D-печати с фотополимеризацией в ванне, таких как стереолитография (SLA); с помощью этой технологии материалы на основе термореактивной смолы могут быть отверждены вокруг армирующего волокнистого каркаса.

Будь то порошок, нить или другая форма, композитные материалы для 3D-печати обычно разрабатываются из-за их высокой прочности, высокой жесткости, стабильности размеров и хорошего отношения прочности к весу. Волокна исключительно легкие, и они могут значительно повысить прочность термопластика, не увеличивая его массу. Инженерные композиты, напечатанные на 3D-принтере, можно даже использовать вместо металла.

Базовые термопласты для FDM 3D-печати композитов варьируются от обычных полимеров, таких как PLA и ABS, до высокопроизводительных полимеров, таких как PEEK. Нейлон - основной материал, используемый для композитных порошков SLS (как и основной материал, используемый при лазерном спекании в целом), но могут использоваться и высокопроизводительные материалы, такие как PAEK.

Если рассматривать композиты в целом (в том числе за пределами 3D-печати), стекловолокно является наиболее популярным армирующим материалом, и оно также широко используется в композитах для 3D-печати. Однако в аддитивном производстве углеродные волокна используются гораздо чаще, чем стекло, поскольку композитная 3D-печать используется во многих критических областях, где превосходная прочность углерода оправдывает дополнительные затраты. Другие армирующие материалы включают кевлар и графен.

Основные материалы:

• Полиамид/нейлон (ПА);
• Акрилонитрилбутадиенстирол (АБС);
• Полимолочная кислота (PLA);
• Поликарбонат (ПК);
• Полиэфиримид (PE);
• Полифениленсульфид (PPS);
• Полиэфиркетон (PEEK);
• Полиарилэфиркетон (ПАЭК).

Материалы для усиления:

• Углеродное волокно;
• Стекловолокно;
• Гранулы стекла;
• Кевлар;
• Графен;
• Другие металлы.

Примеры фирменных композитных материалов на рынке включают PA 640-GSL от EOS, нейлоновый SLS-порошок PA 12, армированный стеклянными гранулами и углеродными волокнами; CarbonX PETG+CF от 3DXTech, нить PETG FDM, армированная рубленым углеродным волокном; и Onyx от Markforged, материал на основе нейлона, наполненный углеродным волокном, который также может быть усилен непрерывными волокнами с использованием запатентованной технологии композитной печати Markforged.

Помимо нескольких исключений, ключевыми технологиями 3D-печати для композитов являются моделирование методом наплавления (FDM), селективное лазерное спекание (SLS) и новые технологии печати непрерывным волокном.

FDM

FDM является наиболее широко используемым процессом 3D-печати пластиковых деталей, и многие принтеры средней ценовой категории способны обрабатывать композитные материалы, такие как ABS, армированный углеродным волокном. Композитные материалы для FDM состоят из термопластичного основного материала и (обычно) рубленых прерывистых волокон. Эти волокна могут укрепить и сделать печатные детали более жесткими, но в больших количествах они также могут затруднить печать и негативно сказаться на качестве поверхности.

SLS

SLS — это еще один процесс 3D-печати пластиком, подходящий для производства композитных деталей. Из-за стоимости и сложности систем SLS эта технология в основном используется промышленными пользователями. Материалы представляют собой смесь термопластичных порошков (часто нейлона) и армирующих элементов, таких как рубленые волокна или гранулы стекла. Обратите внимание, что композитные порошки SLS не универсальны.

Новые процессы 3D печати непрерывным волокном

Одной из самых передовых областей аддитивного производства является печать композитов с непрерывными волокнами — концепция, описанная в следующем разделе. Такие компании, как Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs и Anisoprint, разработали оборудование для аддитивного производства композитов, которое может интегрировать непрерывные волокна в детали из термопластика во время печати, как правило, путем подачи непрерывных волокон в каждый отдельный слой с помощью отдельного сопла.

Композитные материалы для 3D-печати с армирующими волокнами можно разделить на две отдельные категории: композиты с рубленым волокном и композиты с непрерывным волокном. Таким образом, хотя два разных композита могут содержать одни и те же составляющие материалы, они могут работать совершенно по-разному в зависимости от того, содержат ли они рубленые или непрерывные волокна.

• Рубленые волокна представляют собой крошечные нити из армирующего материала, такого как углерод или кевлар. Эти нити обычно имеют длину менее миллиметра и могут быть легко смешаны с термопластичной матрицей (PLA, ABS и т. д.), придавая обычному пластику повышенную прочность и жесткость. Рубленые волокна невероятно полезны, поскольку они очень универсальны: их можно смешивать с самыми разными термопластами, а полученные композиты можно печатать на обычных 3D-принтерах. Однако, когда рубленые волокна смешиваются с основным материалом, каждое отдельное волокно приобретает случайную ориентацию, что делает материал менее прочным, чем материал с непрерывными волокнами.
• Непрерывные волокна, с другой стороны, представляют собой более длинные однонаправленные нити армирующего материала, которые при интеграции в термопластическую матрицу обеспечивают значительно более высокую прочность по сравнению с рублеными волокнами. Это связано с тем, что нити могут поглощать и распределять нагрузку по всей своей длине, поэтому более длинная непрерывная нить имеет большую несущую способность, чем крошечная нарезанная. Только за последние пять лет 3D-печать из непрерывных волоконных композитов стала массовым явлением, и несколько производителей разрабатывают свои собственные технологии. Излишне говорить, что печать композитным материалом с непрерывным волокном дороже, чем печать композитным материалом с рубленым волокном, поскольку для этого требуется специальное оборудование.

Композитные материалы имеют множество применений во многих отраслях промышленности, они используются для создания прототипов изделий, для деталей конечного использования и инструментов.

К отраслям, где используется аддитивное производство и 3D-печать композитов, относятся аэрокосмическая, автомобильная, электронная и медицинская промышленность. В большинстве этих отраслей композитная 3D-печать используется для изготовления деталей высокой жесткости небольшого масштаба.

Инструментальная обработка — в мелком или крупном масштабе — особенно актуальна для композитной 3D-печати, поскольку армированные материалы идеально подходят для пресс-форм и концевой оснастки.

Что касается конкретных технологий, то 3D-печать непрерывным волокном предлагает наибольшее количество потенциальных применений (по сравнению с FDM или SLS), хотя она все еще находится в зачаточном состоянии и не так широко используется, как технологии 3D-печати рубленым волокном.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Преимущества оснастки напечатанной на 3D-принтере для листогибочных прессов»‎ и «‎Нужна нестандартная листогибочная оснастка? Напечатайте её на 3D-принтере! [Часть 1]»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!