3D-печать объяснена: Часть 1 – От сырья к современным инновациям

Часть первая: Сырьевые материалы

Хотя аддитивное производство — более известное как 3D-печать — существует уже почти 40 лет, многим кажется, что технология все еще в зачаточном состоянии. Технология 3D-печати развилась больше за последние 10 лет, чем за три предыдущих десятилетия, делая её более жизнеспособной для прототипирования и малых производственных запусков, чем когда-либо. Эти достижения поставили аддитивное производство твердо в поле зрения общественности, поскольку производители исследуют последние инновации и то, как они могут ускорить производственные процессы.

Рынок материалов для 3D-печати оценивается в росте от 530,1 млн долларов в 2016 году до более чем 1,4 млрд долларов к 2021 году, согласно исследованиям MarketsandMarkets. Этот рост во многом можно отнести к расширению вариантов материалов, используемых для печати объектов. В то время как 3D-принтеры изначально использовали ограниченный выбор пластиков, более новые машины могут печатать с гораздо более широким спектром материалов.

 

Проблемы, с которыми сталкивается рынок материалов для 3D-печати

Материал, используемый в 3D-печати, определяет эффективность процесса печати и качество конечного продукта. Несмотря на быстрый рост аддитивного производства, технология должна преодолеть множество вызовов, прежде чем станет жизнеспособной альтернативой традиционным производственным и механическим методам. Многие из этих проблем напрямую связаны со сырьевыми материалами, включая:

• Стоимость сырья

3D-печать не получает выгоды от экономии масштаба, предоставляемой другими производственными технологиями. Аддитивное производство все еще относительно медленно и в основном используется для прототипов или очень малых производственных запусков, что означает отсутствие крупных скидок на объемные закупки материалов.

• Ограниченный ассортимент материалов

Хотя типы доступных материалов для 3D-печатных проектов драматически расширились за последнее десятилетие, выбор все еще довольно ограничен. В настоящее время выбор материала подлежит ограничениям технологии 3D-печати и любым ограничениям, накладываемым дизайном.

• Доступность сырья

Сырьевые материалы аддитивного производства все еще могут быть трудными для закупки, особенно когда дизайн требует более редких веществ, таких как металлы или керамика.

Эти проблемы должны быть решены в ближайшем будущем по мере происходящего вышеупомянутого роста рынка. По мере того как 3D-печать становится более распространенным методом для производителей, цены на материалы упадут экспоненциально, варианты расширятся, и все типы материалов станут более доступными.

 

Заинтересованные стороны рынка материалов для 3D-печати

Успешный рост в аддитивном производстве во многом будет зависеть от сотрудничества между различными участниками цепочки поставок сырья. Основные заинтересованные стороны включают:

• Поставщиков материалов
• Производителей принтеров
• Бюро печатных услуг
• Конечных пользователей

По мере того как каждый из этих участников привносит новые инновации на рынок, технология будет продолжать развиваться. Сотрудничество между каждым звеном цепочки поставок позволит заинтересованным сторонам направлять направление технологии и её роста.

 

Типы материалов для 3D-печати

Материалы для 3D-печати обычно поставляются в виде нитей, порошков или жидкостей. Используемые типы включают четыре основные категории:

• Пластики
  • Фотополимеры – эпоксиды и гибриды, акрилаты, полиамид, нитрильный каучук
  • Пластиковый порошок – PA, TPU, PEEK, PP, PS
  • Пластиковые нити – ABS, PLA, PC и смеси, Нейлон, полиэтилентерефталат, термопластичный полиуретан

• Керамика
  • Керамический порошок

• Металлы
  • Алюминий и сплавы
  • Нержавеющая сталь
  • Инконель, кобальт-хром, никелевые сплавы
  • Титан и сплавы
  • Другие

• Другие
  • Песок с связующим
  • Фоточувствительные смолы

 

Фотополимеры

Фотополимерные смолы занимают лидирующую долю глобального рынка материалов аддитивного производства и ожидается, что расширят свою долю в предвидимом будущем. Фотополимеры — жидкие смолы, используемые в 3D-принтерах Polyjet и Стереолитографии, которые затвердевают и полимеризуются через процесс полимеризации с помощью УФ-лучей для формирования пластиковых деталей и прототипов. Фотополимеры обычно содержат несколько основных компонентов: связующие, мономеры и фотоинициаторы. Фотоинициаторы — главные компоненты фотополимера и преобразуют световую энергию в химическую. Фотополимеры печатаются для создания деталей медицинских, военных и электронных применений.

 

Пластиковые порошки

Пластиковые порошки — еще один тип материалов для 3D-печати, захватывающий значительную долю рынка. Пластиковые порошки, такие как полиамид, полиэфирефинкетон (PEEK) и термопластичный полиуретан (TPU), выбираются для целей снижения веса в транспортных средствах для повышения топливной эффективности и снижения выбросов.

Основные процессы печати деталей с пластиковыми порошками включают наплавление и лазерное спекание, которые в целом имеют быстрое время выполнения и относительно экономичны. Это стимулирует спрос на пластиковые порошки, особенно для прототипных применений.

Полиамид, вероятно, останется наиболее используемым материалом для прототипных применений благодаря своим разумным ценам, легкости обработке и превосходной отделке. Полиамид — один из самых популярных материалов 3D-печати, используемых профессиональными компаниями.

TPU подходит для производства деталей, требующих высокой эластичности, термической и абразивной стойкости, и высокой сдвиговой прочности. PEEK — полукристаллический термопласт с отличными механическими и химическими свойствами стойкости, сохраняющимися при высоких температурах; однако из-за своей высокой цены PEEK ограничен в использовании для самых требовательных применений.

 

Пластиковые нити

Пластиковые нити — термопластическое сырье для 3D-принтеров метода наплавления нити (FDM). Пластиковые нити обеспечивают исключительную прочность деталям и легко формируются. Среди большого ассортимента вариантов материалов ABS и PLA являются наиболее распространенными материалами нитей. Водоустойчивость и вязкость — благоприятные характеристики ABS, делающие его идеальным материалом для печати функциональных деталей. PLA легко печатается и биоразлагаем, популярный вариант материала для печати потребительских деталей. Среди самых дорогих материалов, воск или Moldlay — материал для печати моделей литья в оболочках. Он может плавиться в процессе обжига оболочки.

 

Металлы

Металлы обычно используются для печати инструментальных и прототипных деталей. Сталь широко принята в автомобильной, промышленной, пищевой переработке и медицинских применениях благодаря хорошей прочности и долговечности. Сталь также самая экономичная среди альтернатив. Нержавеющие стали, такие как 316L и 17-4PH, и марэджинг-стальные сплавы — распространенные материалы в этой категории.

Другие металлы для 3D-процессов включают алюминий, высокоценные неметаллические материалы, такие как титан, Инконель и другие высокопрочные сплавы. Наиболее распространенные материалы в этом сегменте включают:

• Алюминиевые сплавы
• Кобальт-хромовые сплавы
• Никелевые сплавы
• Титановые сплавы

 

Эволюция аддитивного производства

Рыночные прогнозы могут дать нам представление о том, что держит будущее для 3D-печати, но лучший способ оставаться в курсе трендов аддитивного производства — стать заинтересованной стороной в технологии. В Impro мы предлагаем ряд производственных услуг, включая литье в песок, литье в оболочках и точную обработку, и мы фокусируемся на установлении себя как заинтересованного игрока в аддитивном производстве.

Чтобы узнать больше о будущем 3D-печати, следите за Частью 2 нашей трехчастной серии на эту тему, которая будет сосредоточена на самой технологии. Вы также можете скачать нашу бесплатную электронную книгу — «3D-печать против традиционного производства» — уже сегодня!