Нейлоновая нить для 3D-печати:материалы, свойства и практическое применение

Существует около 50 различных типов нейлона, но не все из них подходят для 3D-печати — изначально он был разработан как текстильное волокно. Уоллес Х. Карозерс, исследователь компании DuPont, впервые обнаружил его в 1935 году, когда пытался создать первое полностью синтетическое волокно. С тех пор нейлон стал использоваться во многих целях:от колготок до высокопроизводительных деталей, используемых в строительстве, автомобилестроении и даже аэрокосмической промышленности. Давайте узнаем об этом больше.

Что такое 3D-печать нейлоном?

Нейлоны представляют собой семейство полукристаллических термопластичных полиамидов схожего состава. Его получают с помощью процесса, называемого конденсационной полимеризацией, при котором два разных мономерных исходных материала — диамин и двухосновная кислота — вступают в реакцию вместе с образованием полимера, образуя побочный продукт, такой как вода или HCl. Но у каждого типа нейлона свой метод производства. Если взять в качестве примера нейлон 6,6, то он получается посредством реакции конденсации между двумя распространенными сырьевыми материалами:гексаметилендиамином и адипиновой кислотой. Альтернативный метод — полимеризация с раскрытием кольца, при которой в качестве сырья для производства нейлона 6 используется капролактам. Более подробную информацию о различных нейлонах и о том, как их производят, вы найдете чуть ниже.

Нейлон используется в 3D-печати уже более двух десятилетий; в форме нити он используется в принтерах для моделирования наплавлением (FDM), а в виде порошка он подходит для процессов селективного лазерного спекания (SLS) и многоструйного синтеза (MJF). На изображении ниже показана деталь, изготовленная на 3D-принтере с использованием нейлоновой нити.

Возможно, вы слышали, что с нейлоном сложно работать, и это не ложь. Проблема с нейлоном в том, что он гигроскопичен, то есть впитывает влагу из воздуха. Это делает его склонным к короблению, плохой адгезии слоя и нестабильному качеству печати, если он не высушен должным образом перед печатью. 

Хорошей новостью является то, что добавление стеклянных и углеродных волокон устраняет большинство этих проблем и в то же время улучшает его механические свойства. Нейлоновая нить из углеродного волокна изготавливается путем смешивания коротких прядей углеродного волокна с нейлоном перед экструзией в нить. Эти волокна стабилизируют материал и предотвращают его деформацию во время печати. Еще лучше то, что до 25% объема нейлоновой нити может составлять один из этих наполнителей. В сочетании с правильными настройками наполнителя и принтера нейлон можно использовать для изготовления прочных, долговечных и функциональных деталей для износостойких применений. 

Преимущества

• Гибкость
• Жесткий
• Износостойкий.
• Устойчив к щелочам, маслам, топливу и органическим растворителям.
• Лучшая ударопрочность, чем у других технических термопластов (например, PETG или ABS).
• Более устойчив к УФ-излучению, чем PLA или ABS (даже более устойчивый при добавлении УФ-стабилизаторов).
• Пригодно для вторичной переработки.

Недостатки

• Имеет тенденцию деформироваться во время печати и отсоединяться от печатной платформы.
• Является гигроскопичным, поэтому легко впитывает влагу до и после печати, что может привести к дефектам.
• Не так прочно, как другие нити, такие как PETG или ABS.
• Не биоразлагаемый.
• Не устойчив к галогенам и неорганическим кислотам.

Приложения

• Шкивы
• Шестерни
• Крепежи
• Кабель и стяжки
• Пластиковые пряжки
• В сухом открытом помещении.

Каков состав нейлоновой нити?

Нейлоны представляют собой семейство полукристаллических термопластичных полиамидов схожего состава. Нейлон обычно синтезируют посредством процесса, известного как конденсационная полимеризация. Во время этого процесса два разных мономерных исходных материала, диамин и двухосновная кислота, вступают в реакцию вместе с образованием полимера и молекулы побочного продукта, такого как вода или HCl. Например, нейлон 66 производится реакцией конденсации из двух распространенных сырьевых материалов:гексаметилендиамина и адипиновой кислоты. Альтернативный метод обработки, называемый полимеризацией с раскрытием кольца, использует капролактам в качестве сырья для производства нейлона 6.

Нейлон часто комбинируют с углеродными и стеклянными волокнами для улучшения его механических и термических свойств. До 25% объема нити может составлять один из этих наполнителей. 

Каковы свойства нейлоновой нити?

Ниже перечислены некоторые общие свойства нейлоновой нити для 3D-печати:

1. Нейлон обладает превосходной гибкостью и прочностью и может использоваться в условиях суровых нагрузок. 
2. Нейлон обладает хорошей стойкостью к истиранию и часто используется для изготовления шкивов.
3. Нейлон обладает превосходной устойчивостью к маслам, топливу и органическим растворителям.
4. Нейлон обладает превосходной ударопрочностью по сравнению с обычными инженерными пластиками, такими как ABS.

Сравнение свойств нейлоновой нити

Но как нейлон соотносится с другими популярными нитями для 3D-печати, такими как ABS, PETG и PP? Мы поместили всю важную информацию в таблицу ниже (опять же для удобства туда добавлен нейлон 6).

Каковы ограничения 3D-печати нейлоном?

Печать нейлоном имеет некоторые недостатки, перечисленные ниже:

1. Нейлон имеет тенденцию деформироваться во время печати и может отсоединиться от печатной платформы. 
2. Нейлон легко впитывает влагу как до, так и после печати. Поглощение влаги материалом нити часто приводит к дефектам напечатанной детали.
3. Нейлон не так прочен, как другие материалы для печати, такие как PETG и ABS.

Некоторые преимущества нейлоновой нити для 3D-печати перечислены ниже:

1. Нейлон обладает превосходной стойкостью к истиранию и идеально подходит для шкивов и шестерен.
2. Нейлон обладает превосходной ударопрочностью по сравнению с другими техническими термопластами, такими как PETG или ABS.
3. Нейлон более устойчив к ультрафиолетовому излучению, чем PLA или ABS, и его можно использовать в сухих условиях на открытом воздухе. Его устойчивость к ультрафиолетовому излучению можно дополнительно улучшить, добавив в сырье УФ-стабилизаторы.

Почему в 3D-печати используется нейлон?

Нейлон используется в 3D-печати из-за его прочности, химической стойкости и устойчивости к истиранию. С этим материалом сложно работать, но его можно использовать для печати функциональных деталей. Нейлоновая нить из углеродного волокна — это популярный материал, который изготавливается путем смешивания коротких прядей углеродного волокна с нейлоном перед экструзией в нить. Эти волокна стабилизируют материал, предотвращая коробление во время печати, повышая механическую прочность и улучшая термические свойства. 

Как использовать нейлон в 3D-печати

Нейлоновую нить для 3D-печати сложно печатать из-за ее склонности к деформации и впитыванию влаги. Однако при использовании правильных настроек принтера нет причин, по которым нельзя было бы достичь отличных результатов. Ниже приведены несколько советов по успешной печати на нейлоне:

1. Нейлон легко впитывает влагу. Это свойство может оказать вредное воздействие на печатную деталь из-за пористости, вызванной расширением пузырьков кипящей воды по мере испарения влаги. Поэтому важно хранить материал нитей в герметичном контейнере. В некоторых контейнерах нить может храниться даже во время печати, что особенно полезно для длительной печати.
2. Нейлон деформируется во время печати, если температура среды печати не поддерживается на уровне около 45 °C. 

Перечисленные выше советы по 3D-печати нейлоном в целом применимы ко всем нейлоновым пластикам. Однако нейлоновая нить из углеродного волокна и нейлоновая нить со стеклонаполнителем не так легко деформируются.

Каковы наилучшие настройки конфигурации для 3D-печати нейлоном?

Как мы уже упоминали, при правильных настройках принтера и правильном типе нейлона нет причин, по которым вы не сможете получить отличные результаты. Вот несколько наших главных советов, которые применимы ко всем нейлоновым пластиковым нитям для успешной 3D-печати.

1. Во-первых, вам необходимо убедиться, что ваш принтер настроен на оптимальные настройки для этого материала. Хотя конкретные необходимые настройки принтера будут зависеть от состава нейлона, вот общие правила:

• Температура экструдера/сопла :230–260 °C
• Температура кровати :60–70 °C
• Скорость печати :30–70 мм/с (50 мм/с идеально подходит для достижения наилучших результатов, особенно для детализированных деталей).
• Плотность заполнения :20 % с треугольным заполнением (следует регулировать в зависимости от применения; для несущих конструкций может потребоваться 50–80 %).
• Лучшая толщина стенок :1,5 мм (для большинства применений; зависит от конечного использования детали)

2. Как видите, при работе с нейлоном необходима подогреваемая печатная платформа, чтобы она не деформировалась и не отрывалась от платформы, но вам также может потребоваться подготовить ее с помощью клея.

3. Поддерживайте температуру среды печати около 45°C.

4. Используйте углеродное волокно или нейлоновые нити со стеклонаполнителем, которые не так легко деформируются.

5. Храните нейлоновую нить во влагонепроницаемом герметичном контейнере. В некоторых контейнерах нить может храниться даже во время процесса печати, что удобно при длительной печати.

6. Это относится ко всем материалам для 3D-печати, но поэкспериментируйте с различными настройками скорости, пока не найдете идеальный вариант. Каждая комбинация принтера и материала будет вести себя немного по-разному.

Часто задаваемые вопросы о нейлоновой нити для 3D-печати

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

Нейлон более ударопрочн, чем PETG и ABS, намного прочнее и гибче, чем PLA. PLA жесткий и хрупкий, с плохой устойчивостью к усталости при циклических нагрузках, поэтому в этом раунде выигрывает нейлон. Как и нейлон, ABS — материал, трудный для печати, но его проще использовать, чем нейлон, а также он обладает большей прочностью на разрыв. Из PETG также намного проще печатать, и он дешевле, чем нейлон.

Подлежит ли нейлон вторичной переработке?

Его необходимо перерабатывать на промышленных предприятиях по переработке отходов. Например, нейлон 6 более пригоден для вторичной переработки, чем нейлон 6,6, поскольку он состоит из одной молекулы. Это облегчает полимеризацию, тогда как нейлон 6,6 состоит из двух молекул, которые трудно разделить.

Почему влага вредна для 3D-отпечатков?

Напечатанная деталь может быть испорчена, если в материал попадет влага (а нейлон, как мы видели, любит ее впитывать). Это происходит из-за пористости, вызванной расширяющимися пузырьками кипящей воды; поскольку вода испаряется во время печати, это может привести к ослаблению материала.

Какова лучшая скорость 3D-печати нейлоном?

На нейлоне можно печатать со скоростью от 30 до 70 мм/с, но оптимальная скорость обычно составляет около 50 мм/с, особенно если при печати требуется высокий уровень детализации. Как и в любом процессе 3D-печати, может потребоваться попробовать несколько различных настроек скорости, пока не будет определена оптимальная рабочая скорость. Каждая комбинация принтер/материал ведет себя немного по-разному. 

Какова температура плавления нейлоновой нити?

Температура плавления нейлоновой нити составляет 188,4°С. Углеродные или стеклонаполненные нейлоновые нити для 3D-печати имеют температуру плавления, эквивалентную температуре плавления их основного полимера.

Нужна ли платформа с подогревом при печати нейлоном?

Да, при печати нейлоном требуется печатная платформа с подогревом. Нейлон склонен к деформации и может оторваться от кровати, если он не был достаточно подготовлен с помощью клея и не нагрет.

Какова хорошая толщина стенки нейлона для 3D-печати?

Оптимальная толщина стенок для 3D-печати нейлона зависит от конечного использования печатаемой детали. Однако в целом толщина стенки 1,5 мм будет идеальной для большинства применений.

Какова хорошая плотность стенки нейлона для 3D-печати?

Оптимальная плотность заполнения нефункционального прототипа нейлоновой детали, напечатанной на 3D-принтере, составляет 20%. Однако эту плотность необходимо регулировать в зависимости от предполагаемого применения. Для несущих конструкций может потребоваться плотность заполнения от 50 до 80%. Стандартного заполнения треугольного типа будет достаточно для большинства применений.

Разлагается ли нейлон?

Нет, как и большинство других товаров и термопластов инженерного класса, нейлон не биоразлагаем.

Является ли нейлон гигроскопичным?

Да, нейлон гигроскопичен и легко впитывает влагу. Поэтому рекомендуется хранить нейлоновый материал в защищенном от влаги помещении.

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

PLA — жесткий и хрупкий материал с плохой усталостной прочностью. С другой стороны, нейлон более прочный, гибкий и обладает лучшей усталостной прочностью при циклических нагрузках.

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

Как и нейлон, ABS — материал, трудный для печати. Однако его проще использовать, чем нейлон. ABS также имеет лучшую прочность на разрыв. Однако нейлон значительно более устойчив к ударам, чем АБС.

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

PETG не так ударопрочен, как нейлон. Однако с ним гораздо легче печатать, и он дешевле, чем нейлон.

Кэт де Наум

Кэт де Наум — писатель, автор, редактор и специалист по контенту из Великобритании с более чем 20-летним писательским опытом. Кэт имеет опыт написания статей для различных производственных и технических организаций и любит мир техники. Помимо писательской деятельности, Кэт почти 10 лет работала помощником юриста, семь из которых занималась финансированием судов. Она писала для многих изданий, как печатных, так и онлайн. Кэт имеет степень бакалавра английской литературы и философии, а также степень магистра писательского мастерства в Кингстонском университете.

Прочтите другие статьи Кэт де Наум



3D-печать смолой или нитью:какой метод подойдет вашему проекту? Освоение полноцветной 3D-печати:проверенные лучшие практики