Композитные материалы для 3D-печати:вводное руководство

Аддитивное производство можно использовать с широким спектром 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 (а также в новых технологиях), обычно содержат базовый термопластичный материал. и армирующий элемент например углеродное волокно. Соотношение между двумя элементами может варьироваться, как и метод интеграции армирующего материала.

Поскольку технологии 3D-печати продолжают совершенствоваться, использование композитов, пригодных для 3D-печати, становится все более распространенным. И их использование не ограничивается промышленностью:в то время как некоторые композиты (например, порошки SLS) ориентированы в основном на промышленных пользователей , другие (например, термопласты, армированные рубленым волокном) можно использовать в 3D-принтерах FDM средней ценовой категории для потребителей и профессионалов. .

Эта статья служит вводным руководством по 3D-печати композитными материалами. В нем 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.

Что такое композитные материалы для 3D-печати?

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

Примеры композитов вне 3D-печати включают фанеру (слои различных шпонов) и железобетон (бетон, усиленный стальными стержнями).

В 3D-печати композиты обычно представляют собой комбинацию термопласта основной материал (матрица) и армирующий такой элемент, как углеродное волокно, стекловолокно, графен, иликевлар . (Обратите внимание, что смесь двух термопластов, таких как PLA + ABS, обычно называют смесью. , а не композит.) Базовые материалы могут быть практически любыми, но промышленные пользователи обычно используют термопласты премиум-класса, которые имеют хорошие характеристики материала даже без армирующих элементов; такие пластмассы включают ПК, нейлон и PEEK.

Композиты могут принимать различные формы материалов, наиболее распространенными из которых являются смеси порошков для селективного лазерного спекания (SLS). и смешанные филаменты для моделирования методом наплавления (FDM) . Менее распространены, но особенно интересны композиты, состоящие из основного материала в сочетании с непрерывными волокнами. которые с использованием новых процессов могут быть продеты или вплетены 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 фотополимеризации в ваннах. процессы 3D-печати, такие как стереолитография (SLA); с помощью этой технологии можно отверждать базовые материалы из термореактивной смолы вокруг каркаса из армирующего волокна.

Популярные композитные материалы для 3D-печати

Будь то порошок, нить или другая форма, композитные материалы для 3D-печати обычно разрабатываются из-за их высокой прочности. , высокая жесткость , хорошая стабильность размеров , а также хорошее соотношение прочности и веса соотношение. Волокна исключительно легкие, и они могут значительно повысить прочность термопластика, не увеличивая его массу. Инженерные композиты, напечатанные на 3D-принтере, можно использовать даже вместо металла.

Базовые термопласты для композитов для 3D-печати FDM варьируются от обычных полимеров, таких как PLA. и АБС на более дешевом конце шкалы до высококачественных полимеров, таких как PEEK в конце премиум. Нейлон является основным материалом, используемым для композитных порошков SLS (поскольку это основной материал, используемый в лазерном спекании в целом), но высокоэффективные материалы, такие как PAEK также можно использовать.

Если рассматривать композиты в целом (в том числе вне 3D-печати), стекловолокно — самый популярный армирующий материал, который также широко используется в композитах для 3D-печати. Однако в аддитивном производстве углеродные волокна используются гораздо шире, чем стекло, поскольку композитная 3D-печать используется во многих важных 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 (ПФС)
• Полиэфиркетон (PEEK)
• Полиарилэфиркетон (ПАЭК)

Подкрепления

• Углеродное волокно
• Стекловолокно
• Стеклянные бусины
• Кевлар
• Графен
• Другие металлы

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

Процессы 3D-печати композитных материалов

Помимо нескольких исключений, ключевыми технологиями 3D-печати для композитной 3D-печати 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 машины 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 на нити 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 стеклянные шарики. Обратите внимание, что композитные порошки SLS не универсальны; производители оборудования, такие как EOS, выпускают машины, предназначенные для композитной печати.

Новые процессы обработки непрерывного волокна

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.

Композиты из рубленого волокна и непрерывных волокон

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.

• Измельченные волокна представляют собой крошечные нити из армирующего материала, такого как углерод или кевлар. Обычно размер менее миллиметра по длине эти нити легко смешиваются в термопластическую матрицу (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 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, более длинные и однонаправленные нити армирующего материала, которые при интеграции в термопластичную матрицу обеспечивали значительно более высокую прочность по сравнению с рублеными волокнами. Это связано с тем, что прядь может поглощать и распределять нагрузки по всей своей длине, поэтому более длинная непрерывная длина имеет большую несущую способность. чем крошечная рубленая прядь. Только за последние пять лет или около того 3D-печать из непрерывных волоконных композитов стала массовым явлением, и несколько производителей разрабатывают свои собственные технологии. Излишне говорить, что печать композитных материалов с непрерывным волокном обходится дороже, чем печать композитных материалов с рублеными волокнами, поскольку для этого требуется специальное оборудование.

Применение композитных материалов

Композитные материалы находят широкое применение во многих отраслях, а приложения охватывают прототипы. , детали для конечного использования и инструменты .

Секторы, в которых используются композиты для аддитивного производства и 3D-печати, включают аэрокосмическую, автомобильную, электронную, потребительскую, медицинскую, и промышленные . В большинстве этих отраслей используется композитная 3D-печать для изготовления деталей высокой жесткости небольшого размера (хотя некоторые крупноформатные экструзионные аппараты способны печатать композиты).

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

С точки зрения конкретных технологий, 3D-печать с непрерывным волокном предлагает наибольший спектр потенциальных применений (по сравнению с FDM или SLS), хотя она все еще находится в зачаточном состоянии и не так широко используется, как методы 3D-печати с рубленым волокном.