Нейлон для 3D-печати: материалы, свойства и практические применения

Существует около 50 типов нейлона, но не все подходят для 3D-печати — изначально он был разработан как текстильное волокно. Уоллес Х. Каротерс, исследователь DuPont, открыл его в 1935 году, пытаясь создать первое полностью синтетическое волокно. С тех пор нейлон нашел множество применений — от колготок до высокопроизводительных деталей в строительстве, автопроме и авиации. Разберем подробнее.

Что такое 3D-печать нейлоном?

Нейлоны — семейство полукристаллических термопластичных полиамидов с близкими композициями. Получаются процессом конденсационной полимеризации: два разных мономерных исходных материала — диамин и дикарбоновая кислота — реагируют с образованием полимера и побочного продукта (воды или HCl). У каждого типа нейлона своя производственная методика. На примере Нейлон 6,6: конденсационная реакция между двумя распространенными сырьями — гексаметилендиамином и адпиновой кислотой. Альтернативный метод — кольцевая полимеризация, использующая капролактам как исходное сырье для получения Нейлон 6. Подробнее о разных нейлонах и их производстве ниже.

Нейлон используется в 3D-печати уже более двух десятилетий: в виде нити (филамента) — для FDM-принтеров, в виде порошка — для SLS (Selective Laser Sintering) и MJF (Multi Jet Fusion). На фото ниже — деталь, напечатанная на 3D-принтере нейлоновой нитью.

Вы могли слышать, что нейлон — сложный материал, и это правда. Проблема нейлона — он гигроскопичен, то есть впитывает влагу из воздуха. Это делает его склонным к деформации (warping), плохому сцеплению слоев и нестабильному качеству печати, если не сушить его должным образом перед печатью.

Хорошая новость: добавление стекловолокна и углеродного волокна устраняет большинство этих проблем, одновременно улучшая механические свойства. Нить нейлон-углеродное волокно делается перемешиванием коротких волокон углерода в нейлон перед экструзией в нить. Эти волокна стабилизируют материал и предотвращают деформацию при печати. Еще лучшая новость: до 25% объема нити нейлона может составлять один из этих наполнителей. При правильном наполнителе и настройках принтера нейлон позволяет делать прочные, долговечные и функциональные детали для износостойких применений.

Преимущества

• Гибкий
• Жесткий (tough)
• Износостойкий
• Устойчив к щелочам, маслам, топливу, органическим растворителям
• Лучшая ударная стойкость, чем у других инженерных термопластов (PETG, ABS)
• Более УФ-устойчив, чем PLA или ABS (еще больше с УФ-стабилизаторами в сырье)
• Перерабатываемый

Недостатки

• Склонен к деформации при печати и отрыванию от стола
• Гигроскопичен — легко впитывает влагу до и после печати, может приводить к дефектам
• Не так прочен, как другие нити, например PETG или ABS
• Небиоразлагаемый
• Неустойчив к галогенам и неорганическим кислотам

Применения

• Шкивы ремней
• Зубчатые колеса
• Крепеж (фاستенеры)
• Кабельные и стяжные стяжки
• Пластиковые пряжки
• В сухих наружных условиях

Состав нейлоновой нити

Нейлоны — семейство полукристаллических термопластичных полиамидов с близкими композициями. Нейлон обычно синтезируют конденсационной полимеризацией. В процессе два разных мономерных исходных материала — диамин и дикарбоновая кислота — реагируют с образованием полимера и побочной молекулы (воды или HCl). Например, Нейлон 66 получают конденсационной реакцией из гексаметилендиамина и адпиновой кислоты. Альтернативный метод — кольцевая полимеризация с капролактамом для получения Нейлон 6.

Нейлон часто комбинируют с углеродным и стекловолокном для улучшения механических и термических свойств. До 25% объема нити может составлять один из этих наполнителей.

Свойства нейлоновой нити

Основные свойства нейлоновой нити для 3D-печати:

1. Нейлон обладает отличной гибкостью и вязкостью (toughness), применим в приложениях под жесткими нагрузочными условиями.
2. Хорошая износостойкость — часто используется для шкивов ремней.
3. Отличная устойчивость к маслам, топливу, органическим растворителям.
4. Отличная ударная стойкость по сравнению с обычными инженерными пластиками вроде ABS.

Сравнение свойств нейлоновой нити

Как нейлон соотносится с другими популярными нитями — ABS, PETG, PP? Важные детали в таблице ниже (Нейлон 6 приведен для справки).

Ограничения 3D-печати нейлоном

Печать нейлоном имеет минусы:

1. Нейлон склонен к деформации при печати и может отрываться от стола.
2. Легко впитывает влагу до и после печати. Впитывание влаги нитью часто приводит к дефектам печати.
3. Нейлон не так прочен, как другие печатаемые материалы — PETG и ABS.

Некоторые преимущества нейлоновой нити для 3D-печати:

1. Отличная износостойкость — идеально для шкивов и зубчатых колес.
2. Отличная ударная стойкость по сравнению с инженерными термопластами вроде PETG или ABS.
3. Более УФ-устойчив, чем PLA или ABS, применим в сухих наружных условиях. УФ-устойчивость можно улучшить добавлением УФ-стабилизаторов в сырье.

Почему нейлон используют в 3D-печати?

Нейлон применяют в 3D-печати за вязкость (toughness), химическую устойчивость и износостойкость. Это сложный материал, но позволяет печатать функциональные детали. Нить нейлон-углеродное волокно — популярный материал: короткие волокна углерода смешивают в нейлон перед экструзией в нить. Волокна стабилизируют материал, предотвращают деформацию при печати, повышают механическую прочность и улучшают термические свойства.

Как использовать нейлон в 3D-печати

Нейлоновая нить для 3D-печати сложна в печати из-за склонности к деформации и впитыванию влаги. Однако при правильных настройках принтера отличные результаты достижимы. Советы для успешной печати нейлоном:

1. Нейлон легко впитывает влагу. Это свойство вредно для печати из-за пористости, вызванной расширяющимися пузырьками кипящей воды при испарении влаги. Поэтому важно хранить нить в герметичной емкости. Некоторые емкости хранят нить даже во время печати — полезно для длительных печатей.
2. Нейлон деформируется при печати, если печатное окружение не поддерживается около 45 °C.

Вышеуказанные советы применимы ко всем нейлоновым пластикам. Однако нить нейлон-углеродное волокно и стеклонаполненный нейлон не деформируются так легко.

Лучшие конфигурационные настройки для 3D-печати нейлоном

Как упоминалось, при правильных настройках принтера и правильном типе нейлона отличные результаты достижимы. Топ советы, общие для всех нейлоновых нитей:

1. Настройте принтер под материал. Конкретные настройки зависят от формулировки нейлона, но общие правила:

• Температура экструдера/сопла: 230–260 °C
• Температура стола: 60–70 °C
• Скорость печати: 30–70 мм/с (50 мм/с идеально для лучших результатов, особенно для детализированных деталей)
• Плотность наполнения (infill density): 20% с треугольным паттерном (подстраивается под применение; несущие нагрузки могут требовать 50–80%)
• Оптимальная толщина стенки: 1,5 мм (для большинства применений; зависит от назначения детали)

2. Нагретый стол обязателен для нейлона, чтобы он не деформировался и не отрывался, но может потребоваться подготовка клеящими составями.

3. Держите печатное окружение около 45 °C.

4. Используйте нить нейлон-углеродное волокно или стеклонаполненный нейлон — они меньше деформируются.

5. Храните нейлоновую нить в безвлажной герметичной емкости. Некоторые емкости позволяют хранить нить во время печати — удобно для длительных печатей.

6. Это относится ко всем материалам 3D-печати, но поэкспериментируйте с разными скоростями, пока не найдете идеальную. Каждая комбинация принтер/материал ведет себя немного иначе.

FAQ по нейлоновой нити для 3D-печати

Как нейлон отличается от других пластиковых нитей для 3D-печати?

Нейлон более ударностойкий, чем PETG и ABS, и намного вязче (tougher) и гибче, чем PLA. PLA — жесткий и хрупкий, с плохой устойчивостью к усталоте при циклических нагрузках — нейлон выигрывает. Как нейлон, ABS — сложный материал для печати, но проще в использовании, чем нейлон, и имеет лучшую прочность на разрыв. PETG тоже легче печатать и дешевле нейлона.

Перерабатываем ли нейлон?

Только в промышленных перерабатывающих установках. Нейлон 6 более перерабатываем, чем Нейлон 6,6, так как сделан из одной молекулы — легко полимеризуется, тогда как Нейлон 6,6 из двух молекул, сложных для разделения.

Почему влага плоха для 3D-печати?

Печатаемая деталь может быть испорчена, если влага попала в материал (а нейлон любит её впитывать). Это из-за пористости от расширяющихся пузырьков кипящей воды: при испарении воды в процессе печати материал ослабевает.

Какая лучшая скорость печати нейлоном?

Нейлон можно печатать со скоростью 30–70 мм/с, но оптимальная скорость обычно около 50 мм/с, особенно если требуется высокий уровень детализации. Как и в любом процессе 3D-печати, может потребоваться попробовать несколько скоростей до определения оптимальной. Каждая комбинация принтер/материал ведет себя немного иначе.

Какая температура плавления нейлоновой нити?

Температура плавления нейлоновой нити — 188,4 °C. Углеродная или стеклонаполненная нить для 3D-печати имеют температуры плавления, эквивалентные базовому полимеру.

Нужен ли нагретый стол при печати нейлоном?

Да, нагретый стол обязателен при печати нейлоном. Нейлон склонен к деформации и может отрываться от стола, если он не достаточно подготовлен клеящими составами и нагрет.

Какая хорошая толщина стенки для 3D-печати нейлоном?

Оптимальная толщина стенки зависит от конечного применения детали. Однако в целом 1,5 мм идеально для большинства применений.

Какая хорошая плотность наполнения для 3D-печати нейлоном?

Оптимальная плотность наполнения для нефункционального прототипа из нейлона — 20%. Но плотность должна корректироваться в зависимости от назначения. Несущие нагрузки применения могут требовать 50–80% наполнения. Стандартный треугольный паттерн наполнения достаточен для большинства применений.

Биоразлагаем ли нейлон?

Нет, как большинство других товарных и инженерных термопластов, нейлон не биоразлагаем.

Гигроскопичен ли нейлон?

Да, нейлон гигроскопичен и легко впитывает влагу. Поэтому рекомендуется хранить нить нейлона в безвлажной герметичной емкости.

В чем разница между нейлоном и PLA в 3D-печати?

PLA — жесткий и хрупкий материал с плохой устойчивостью к усталоте. Нейлон — вязче, гибче, с лучшей устойчивостью к усталоте при циклических нагрузках.

В чем разница между нейлоном и ABS в 3D-печати?

Как нейлон, ABS — сложный материал для печати. Но проще в использовании, чем нейлон. ABS имеет лучшую прочность на разрыв. Однако нейлон значительно более ударностойкий, чем ABS.

В чем разница между нейлоном и PETG в 3D-печати?

PETG не так ударностойкий, как нейлон. Однако гораздо легче печатать и дешевле нейлона.

Автор: Кэт де Наум — писатель, редактор, контент-специалист из Великобритании с 20-летним опытом. Пишет для производственных и технических организаций. BA в английской литературе и философии, MA в творческом письме (Kingston University).