Проводит ли PLA электричество? Проводящие варианты и проблемы печати

Знаете ли вы, что существуют филаменты, способные проводить электричество? Они не слишком известны и не слишком популярны, но проводящие филаменты точно есть — с ними можно печатать удивительно интересные проекты.

Вопрос: насколько проводящий обычный PLA и есть ли проводящие варианты PLA?

Отвечу на оба вопроса, а также разберу проблемы печати с проводящими филаментами, какие брать и многое другое.

Начинаем!

Проводит ли PLA электричество?

PLA относится к непроводящим филаментам: его удельное сопротивление ~10¹⁶ Ом·м, как у большинства пластиков, что делает его отличным электроизолятором в твёрдом (холодном) состоянии. При нагреве PLA размолягчается и становится более проводящим — перестаёт быть безопасным изолятором.

Полилактид (PLA) — биоразлагаемый термопласт. Как сказано, он может быть отличным изолятором в диапазоне от комнатной температуры до ~70 °C. Удельное сопротивление и пробойная прочность до 70 °C сравнимы с полиэтиленом низкой плотности (LDPE) и другими нефтяными полимерами — в твёрдом состоянии PLA крайне непроводящ.

Проблема: электрическая проводимость PLA сильно зависит от температуры; выше температуры стеклования Tg (70 °C) проводимость резко возрастает.

Причина: при температуре выше Tg PLA переходит в каучукообразное состояние, что вызывает резкий скачок проводимости из-за броуновского движения молекулярных цепей.

Так как PLA теряет изоляционные свойства при нагреве, не стоит использовать его в высокотемпературных электроприложениях — риск замыкания. Но для низковольтных и малогорячих применений PLA вполне подходит.

Существуют ли проводящие филаменты?

Ограниченный ассортимент проводящих филаментов доступен сейчас и быстро набирает популярность у DIY-сообщества. Но не слишком взволнуйтесь: сейчас они подходят только для простых цепей и мелких электронных проектов, но можно делать полезные и крутые вещи — от 3D-моделей со встроенными LED до датчиков автоуровня.

Самый популярный и, на мой взгляд, полезный проводящий филамент — Conductive PLA от Protopasta. Удельное сопротивление 15 Ом·см — подходит для соединения простых электронных компонентов: датчиков, кнопок, светодиодов и др.

Проводящие PLA-филаменты создаются добавлением графена, графенизированного угля и других добавок, повышающих проводимость обычного PLA. Подходят только для низковольтных цепей (напряжение <60 В, ток <100 мА), пределы варьируются по брендам.

Несколько брендов производят такие филаменты — рассмотрю ниже. Знайте: они значительно дороже и не позволяют создавать сложные схемы.

Насколько они проводящие?

Не все типы и бренды одинаково проводят — смотрите удельное сопротивление на катушке или сайте производителя перед покупкой.

Удельное сопротивление — мера того, насколько материал препятствует течению тока. Измеряется в Ом·см, обратно пропорционально проводимости: ниже сопротивление — выше проводимость.

Вся эта информация указана на катушке или сайте производителя.

Проводящие 3D-печати имеют любопытное поведение: они не равномерно проводят во всех плоскостях. Печать идет по X и Y непрерывно, а по Z слои накладываются друг на друга — меньшая контактная площадь, значит, меньшая проводимость по Z, чем по X и Y.

По сути, ориентируя деталь для печати, нужно обеспечить, чтобы участки, требующие максимальной проводимости, имели наибольшую контактную площадь.

Примеры проводящих филаментов

Conductive PLA Proto-Pasta: PLA-база, удельное сопротивление 15 Ом·см, диаметры 1.75 и 2.85 мм. Температура печати 195–225 °C, стол 50–60 °C.

Electrifi Conductive Filament: проприетарный металло-полимерный композит (биоразлагаемый полиэстер, скорее PLA, + медь). $196 за 100 г, удельное сопротивление 0,006 Ом·см. Диаметры 1.75 и 2.85 мм. Печать 130–160 °C, стол 50–60 °C.

SUNLU ABS Conductive Filament: ABS-база, $40,01 за 1 кг. Только 1.75 мм. Печать 220–240 °C, стол 20–120 °C.

AMOLEN Conductive Black PLA Filament: PLA-база, $22,99 за 200 г. Удельное сопротивление 1,42 Ом·см. Только 1.75 мм. Печать 220–250 °C, стол 0–50 °C.

Применение проводящих филаментов

Проводящие филаменты позволяют создавать лёгкие, долговечные и гибкие низковольтные цепи — прорыв в носимой электронике: 3D-печатные гибкие датчики можно бесшовно интегрировать в одежду.

Полезны в телекоме для кастомных ЭМ- и РЧ-экранов, фильтров, антенн и компонентов. Промышленные и научные лаборатории, медучреждения — 3D-печатные ЭМИ/РЧ экраны против конкурентных сигналов, сбивающих чувствительное оборудование.

Инженеры, мейкеры и DIY-энтузиасты — цепи разного типа, ёмкостные датчики любой формы для промышленности и инженерии, клавиатуры, геймпады, крутые Arduino-проекты.

Помните: проводящие филаменты нельзя использовать для высоковольтных или высокотемпературных применений — они расплавятся и закоротят.

Бесплатные модели для теста проводящих филаментов

Креативные люди нашли способы использовать проводящие филаменты для крутых печатей — بعضها более функционально, но фантазия не знает границ.

Тестер батареек.
Фонарик.
Электрифицированный Терминатор.

Хотите больше гениальных моделей для проводящих филаментов? Посмотрите статью на Hackday или используйте наш поиск файлов для печати.

Проблемы печати с проводящим филаментом

Замыкания: Как уже говорилось, Tg PLA ~70 °C — при достижении этой температуры он размолягчается и становится более проводящим, что может привести к замыканию. Не используйте проводящий PLA, если не уверены, что он никогда не приблизится к этим температурам.

Проводящие филаменты абразивны: Conductive PLA обычно наполнен углеродом — это даёт проводимость, но делает его крайне абразивным для сопла. С латунным соплом, вероятно, придётся менять его уже после 500 г печати.

Засоры сопла: Проводящие филаменты сложнее печатать — снижайте скорость печати и повышайте температуру сопла, чтобы избежать засора.

Заключение

Проводящие филаменты — одно из самых весёлых дополнений к 3D-печати, хотя не заменят медную проводку. Но если хотите сделать геймпад, фонарик или голову Терминатора со светодиодом — проводящий филамент — ваш выбор.

Используйте мудро и избегайте замыканий!

Надеюсь, информация была полезна!

Хорошего дня!