Композитные материалы для 3D-печати: практическое руководство для инженеров

Аддитивное производство можно использовать с широким спектром материалов — от высокопроизводительных термопластов вроде PEEK до аэрокосмических металлов вроде титана.

Однако иногда инженерам нужно объединить свойства двух разных материалов, и один из лучших способов — использование композитов. Применяемые в процессах FDM и SLS (а также в новых технологиях), композитные материалы обычно содержат базовый термопласт и усиливающий элемент, например углеродное волокно. Соотношение компонентов и метод интеграции усилителя могут варьироваться.

По мере развития технологий 3D-печати использование печатаемых композитов становится все более распространенным. Оно не ограничивается промышленностью: некоторые композиты (например, порошки SLS) ориентированы на промышленных пользователей, другие (например, термопласты с короткими волокнами) доступны на среднеценовых FDM-принтерах для потребителей и профессионалов.

Эта статья служит вводным руководством по композитным материалам для 3D-печати. Рассматриваются популярные материалы и технологии, разница между короткими и непрерывными волокнами, основные применения и преимущества.

Что такое композитные материалы для 3D-печати?

Просто говоря, композитный материал состоит из двух или более разных материалов. Специалист по композитной 3D-печати Markforged определяет композиты как «состоящие из более чем одного материала, которые в комбинации обладают свойствами, отличными от исходных».

Примеры композитов вне 3D-печати — фанера (слои разных шпонов) и железобетон (бетон, усиленный стальными стержнями).

В 3D-печати композиты — это обычно комбинация термопластической базы (матрицы) и усиливающего элемента: углеродного волокна, стекловолокна, графена или кевлара. (Смесь двух термопластов, например PLA + ABS, обычно называется блендом, а не композитом.) Базовые материалы могут быть самыми разными, но промышленные пользователи обычно выбирают премиальные термопласты с хорошими характеристиками даже без усилителей: PC, нейлон, PEEK.

Композиты могут иметь разные формы: смешанные порошки для селективного лазерного спекания (SLS) и смешанные нити для моделирования методом слоеного наплавления (FDM). Реже, но перспективно — композиты с непрерывными волокнами, которые новыми процессами можно вплетать в термопластические матрицы во время печати. Такие процессы обычно требуют двух сопел: одну для термопласта, вторую для непрерывных волокон. Также существуют ограниченное количество композитных смол для фото-полимеризации (SLA), где термореактивные смолы polymеризуются вокруг каркаса из усилительных волокон.

Популярные композитные материалы для 3D-печати

Будь то порошок, нить или иная форма, композиты разрабатываются для высокой прочности, жесткости, хорошей размерной стабильности и высокого отношения прочность/вес. Волокна исключительно легки и могут резко повысить прочность термопласта без увеличения массы. Инженерные композиты 3D-печати могут даже заменять металл.

Базовые термопласты для FDM-композитов варьируются от дешевых полимеров вроде PLA и ABS до высокопроизводительных вроде PEEK. Нейлон — основной материал для композитных порошков SLS (как и для спекания вообще), но можно использовать и высокопроизводительные материалы вроде PAEK.

В композитах вообще (вне 3D-печати) стекловолокно — самый популярный усилитель, оно широко встречается и в 3D-печати. В аддитивном производстве, однако, углеродные волокна используются гораздо чаще стекла, так как композитная 3D-печать применяется для критичных задач, где превосходная прочность углерода оправдывает расходы. Другие усилители — кевлар и графен.

Базовые материалы

• Полиамид / нейлон (PA)
• Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS)
• Полилактид (PLA)
• Поликарбонат (PC)
• Полиэтеримид (PEI)
• Полифениленсульфид (PPS)
• Полиэтиретирокетон (PEEK)
• Полиарилэтирокетон (PAEK)

Усилители

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

Примеры брендовых композитов: PA 640-GSL от EOS — порошок PA 12 нейлона для SLS, усиленный стеклянными микршариками и углеродным волокном; CarbonX PETG+CF от 3DXTech — нить PETG для FDM с коротким углеродным волокном; Onyx от Markforged — нейлоновая база с углеродным волокном, которую можно дополнительно усилить непрерывными волокнами проприетарной технологией Markforged.

Процессы 3D-печати для композитных материалов

За редкими исключениями ключевые технологии — FDM, SLS и новые процессы для непрерывных волокон.

FDM

FDM — самый распространенный процесс 3D-печати пластиковых деталей, многие среднеценовые машины работают с композитами вроде ABS с углеродным волокном. Композиты для FDM состоят из термопластической базы и (обычно) коротких прерывистых волокон. Они усиливают и смивают детали, но в больших количествах могут усложнять печать и ухудшать качество поверхности.

SLS

SLS — еще один процесс для композитных деталей. Из-за стоимости и сложности систем SLS он используется преимущественно промышленными пользователями. Материалы — смесь термопластических порошков (часто нейлона) и усилителей вроде коротких волокон или стеклянных микршариков. Композитные порошки SLS не универсальны; производители оборудования вроде EOS делают машины, выделенные для композитной печати.

Новые процессы для непрерывных волокон

Одна из передовобластей аддитивного производства — печать композитов с непрерывными волоконами. Компании Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs и Anisoprint разработали оборудование, интегрирующее непрерывные волокна в термопластические детали во время печати, обычно подавая волокна в каждый слой отдельной соплой.

Короткие волокна против непрерывных волокон

Композитные материалы с усиливающими волокнами делятся на две категории: с короткими (chopped) и непрерывными (continuous) волокнами. Два композита с одинаковым составом могут вести себя совершенно по-разному в зависимости от типа волокон.

• Короткие волокна — крошечные нити усилителя (углерод, кевлар), обычно менее миллиметра длиной. Их легко смешивать с термопластической матрицей (PLA, ABS и др.), придавая обычному пластику высокую прочность и жесткость. Короткие волокна универсальны: их можно смешивать с множеством термопластов, и полученные композиты печатаются на обычных принтерах. Однако при смешивании каждое волокно принимает случайную ориентацию, что делает материал менее прочным, чем с непрерывными волокнами.
• Непрерывные волокна — длинные, однонаправленные нити, которые при интеграции в матрицу дают неין сравненно большую прочность. Нить воспринимает и распределяет нагрузки на всю свою длину, поэтому более длинное непрерывное волокно имеет большую несущую способность, чем короткий кусочек. Только за последние 5 лет печать с непрерывными волокнами стала мейнстримом, у нескольких производителей есть свои технологии. Естественно, это дороже печати с короткими волокнами, так как требуется специализированное оборудование.

Применение композитных материалов

Композиты находят применение во многих отраслях: прототипы, серийные детали, оснащение.

Отрасли, использующие аддитивное производство и композиты: аэрокосмическая, автомобильная, электроника, потребительские товары, медицинская, промышленная. Большинство используют композитную 3D-печать для высокожестких деталей небольшого размера (хотя крупногабаритные экструдеры тоже могут печатать композиты).

Оснащение — в малом или крупном масштабе — особенно актуально для композитной 3D-печати, так как усиленные материалы идеальны для форм и концевого оснащения манипуляторов.

По технологиям: печать с непрерывными волокнами дает наибольший потенциал применений (по сравнению с FDM или SLS), но еще в зачаточном состоянии и менее распространена, чем методы с короткими волокнами.