Экструзия материалов в 3D-печати:определение, история, применение и рабочий процесс

В контексте 3D-печати экструзия — это процесс, при котором полужидкая суспензия или паста выдавливается через отверстие или матрицу для создания линии материала цилиндрической (или другой) формы. Затем он затвердевает или отверждается, позволяя уложить сверху новый слой экструдированного материала. С использованием этой техники печатаются как моделирование методом наплавления (FDM), так и изготовление наплавленными нитями (FFF). 

Хотя в первой версии процесса FDM С. Скотта Крампа использовался клеевой пистолет, технология была усовершенствована и стала гораздо более точной и гибкой. При экструзии материалов можно использовать самые разные материалы, такие как полимерные нити, полимерные гранулы, восковые нити и гранулы, керамические суспензии и нити из металлического порошка, связанные с полимером.

В этой статье будут определены и обсуждены процесс, история и применение экструзии материалов применительно к 3D-печати.

Что такое экструзия материала в 3D-печати?

В сфере 3D-печати процесс экструзии означает проталкивание готового к склеиванию материала через нагретое сопло для нанесения его последовательными слоями. Каждый слой фактически представляет собой двухмерный «срез» трехмерного объекта. Большинство принтеров нагревают полимер или воск до гелеобразного состояния, чтобы на материале можно было печатать. Эти материалы могут быть модифицированы добавками, которые придают им желаемые свойства либо в гелеобразном состоянии (т.е. регуляторы вязкости), либо в твердом состоянии.  

Для получения дополнительной информации см. наше руководство о том, что нужно знать о 3D-принтерах.

Какие материалы используются при экструзии материалов?

Машины для экструзии материалов могут быть предназначены для печати следующего:

1. Полимеры, такие как PLA, ABS, ASL и нейлон, широко распространены и содержат широкий спектр добавок. Некоторые другие технически являются воском, но действуют так же, как полимеры.
2. Керамика печатается на 3D-принтере и превращается в (как правило, художественную) керамику. Сопла для этой цели в 10–50 раз больше пластиковых экструдеров.
3. Бетон и различные строительные материалы в последнее время привлекли внимание как варианты 3D-печати. Идея состоит в том, чтобы печатать целые здания, и этот процесс отличается от FDM прежде всего только масштабом.

Где используется экструзия материала?

Экструзия материала в основном используется при прототипировании FDM. Этот метод аддитивного производства более популярен для этой цели, чем другие, поскольку это самый дешевый и доступный вариант. Прототипы FDM используются в различных отраслях, включая маркетинг и разработку продуктов. Детали производятся быстро и обычно достаточно функциональны, чтобы разработчики могли протестировать их функции (при условии, что их размер не меньше 1–2 мм). Однако прототипы не являются высокопроизводительными изделиями.

Когда появилась первая технология экструзии материалов?

Технология экструзии материалов была впервые предсказана писателем-фантастом Мюрреем Ленстером в его рассказе 1945 года «Вещи проходят мимо». Однако реальный процесс приобрел практическую форму в конце 1980-х годов и был коммерциализирован компанией Stratasys. Это стало основой сектора 3D-печати.

Какое зарегистрированное название для экструзии материалов?

Stratasys зарегистрировала экструзию материала под названием «моделирование наплавлением» или FDM. Хотя срок действия патентов истек, они по-прежнему имеют права на имя, хотя Stratasys, похоже, не следит за этим внимательно. Многие другие производители называют свой процесс «изготовлением плавленых нитей» (FFF), хотя название FDM более широко понимается. 

Что такое процесс экструзии материала?

Экструзия материала в сфере 3D-печати включает в себя продавливание полимерного или воскового сырья через сопло с регулируемой температурой. Это смягчает материал до вязкого жидкого или почти жидкого состояния, поэтому его можно наносить на рабочий стол или существующий слой напечатанной модели. Каждый слой фактически двухмерен, но в сочетании они создают трехмерную конструкцию.

Полимер (или воск) нагревается в сопле до тех пор, пока он не достигнет гелеобразного состояния. Материал должен быть достаточно расплавлен, чтобы сгибаться и связываться с окружающими (более холодными) материалами, но не настолько жидким, чтобы вытекать из точки нанесения. Экструдированный материал затем быстро охлаждается и затвердевает, так что поверх него можно нанести следующий слой.

Каковы преимущества экструзии материалов?

Экструзия материала применительно к 3D-печати FDM/FFF дает несколько преимуществ:

1. Полимеры можно печатать при низких температурах, поэтому печатное оборудование простое и недорогое. 
2. Необходимо очень незначительное обслуживание процесса. После оптимизации настроек устройства принтер может работать без присмотра в течение очень долгого времени.
3. Экструзионные материалы являются одними из самых дешевых в секторе 3D-печати. Их можно приобрести у широкого круга конкурирующих поставщиков.
4. Модели могут соответствовать достаточным косметическим и механическим стандартам, чтобы их можно было использовать в широком спектре применений.
5. Принтеры FDM/FFF дешевле и работают с меньшими накладными расходами, чем другие 3D-принтеры. Это дает им самую низкую цену среди всех систем 3D-печати.

Каковы недостатки экструзии материалов?

Недостатками экструзии материала являются:

1. Детали, напечатанные с помощью экструзии материала, могут иметь лишь 20 % типичной прочности материала. Модели, как правило, слабы по своей сути.
2. Косметическая отделка зачастую оставляет желать лучшего. FDM не может печатать с высоким разрешением ни в направлении XY, ни по оси Z. Более дорогое оборудование лучше более дешевых систем. Однако этот процесс лучше всего подходит для относительно грубых моделей, в которых отсутствуют мелкие детали и которые не требуют точной обработки поверхности. 
3. Поскольку материал при нанесении горячий, многие модели сохраняют внутренние напряжения, которые деформируют их при остывании. В более дорогих принтерах рабочая камера оснащена подогревом, что позволяет уменьшить этот эффект.
4. В некоторых материалах внутрислойное соединение довольно плохое. Это приводит к сильно анизотропным свойствам. Некоторые материалы склеиваются лучше, чем другие, но в их свойствах всегда есть компромиссы. 

В чем разница между струйной обработкой материала и экструзией материала?

Струйная обработка материала и экструзия материала отличаются по нескольким признакам:

1. Процесс: Экструзия наносит частично расплавленный материал линиями и точками. Минимальное разрешение точек составляет от 0,5 мм до 1 мм в диаметре (в зависимости от принтера и конкретного пластика или воска). Процессы струйной обработки материалов на порядок точнее:наносятся жидкие смолы с размером точки часто менее 0,05 мм.
2. Построение слоев: В системах, основанных на экструзии, для построения модели используется одно сопло-аппликатор (в любой момент), что ограничивает скорость построения. В процессах струйной печати материала используются струйные печатающие головки шириной до 100 мм, которые «рисуют» широкие полосы слоя за один проход стола. Эта дополнительная ширина значительно ускоряет создание каждого слоя.
3. Постройки Z-слоя: Преимущество систем на основе экструзии заключается в создании относительно толстых слоев. Они редко бывают тоньше 0,1 мм, а часто могут достигать толщины 0,5 мм. Толщина слоя струйной обработки материала обычно составляет от 16 до 50 мкм. Это означает, что для создания высоты Z требуется больше слоев, что в целом замедляет сборку, несмотря на то, что каждый слой печатается быстро.
4. Стоимость оборудования: Технология FDM/FFF, основанная на экструзии, проста, что делает эти машины одними из самых дешевых среди всех 3D-принтеров. Струйная обработка материала является деликатным и сложным процессом, поэтому оборудование обычно на 1-2 порядка дороже, чем FDM/FFF.

Сводка

В этой статье была рассмотрена концепция экструзии материала применительно к технологии 3D-печати. Чтобы узнать больше об экструзии материалов и определить, подходит ли эта технология для вашего применения, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное ценовое предложение без каких-либо обязательств.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.



DLP и LCD 3D-печать:ключевые различия и экспертное сравнение Освоение многоструйной сварки (MJF):подробное руководство по совершенству в 3D-печати