Термопласты и композиты – что это такое? | Как получаются композиты? | Кто основные потребители полимеров для 3D-печати? | Какие пластики самые популярные? | Как применяется 3D-печать термопластами и композитами? Примеры готовых изделий
Нам часто задают вопрос: делают ли в России качественные, надежные и безопасные материалы для 3D-печати? Безусловно, такие производители есть, более того, в этой сфере накоплен весомый опыт и ноу-хау. Одним из пионеров на отечественном рынке производства пластиков для аддитивной отрасли была компания REC. Она занимается непосредственно производством филаментов, а ее подразделение 3D Solutions проводит НИОКР по созданию композиционных материалов.
REC и 3D Solutions в цифрах и фактах:
-
8 лет работы с термопластами в области аддитивных технологий;
-
серийно выпускается 22 различных типов материала в виде нити для FFF-печати;
-
за 2020 и 2021 год произведено и испытано более 130 различных композиций на основе термопластов;
-
собственное производственное оборудование и лабораторные комплексы для производства и тестирования термопластичных композиций как в литье, так и в 3D-печати;
-
самый узнаваемый бренд в области материалов для FDM-печати.
![Дмитрий Миллер](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/miller-jsontv-yt.jpg)
Сегодня в нашем блоге исполнительный директор REC и 3D Solutions Дмитрий Миллер делится своим опытом разработки и применения термопластов и композитных материалов и рассказывает о самых интересных проектах внедрения FDM-технологии.
Проверьте, решит ли 3D-принтер ваши задачи, – закажите услугу бесплатной тестовой 3D‑печати в iQB Technologies!
Термопласты и композиты – что это такое?
Термопласт – это полимер, который может стать пластичным при воздействии температуры. На основе термопластов производятся композиты – чистые пластики в сочетании с другими материалами, к примеру, ABS с поликарбонатом или армированный углеродным волокном. Таких вариаций может быть огромное количество.
За восемь лет на рынке мы успели поработать с большинством существующих пластиков, включая ABS, ASA, SBS, SEBS, PA, PP, PSU, PPSU, PEEK, PC, TPU, TPEE, PET, PETG, PEI, PLA, PS, PTFE, PVA, PMMA, PBT. И это не полный список – некоторые материалы, такие как ПВХ, не удалось довести до адекватно применимого состояния, поскольку возникают разного рода сложности с переработкой.
Как получаются композиты?
Мы берем необходимую полимерную основу и, в зависимости от поставленной задачи и требуемых свойств материала, модифицируем ее определенными компонентами. К ним относятся:
-
антипирены,
-
термостабилизаторы,
-
пластификаторы,
-
вспенивающие агенты,
-
прочие процессинговые добавки.
Также используется широкий ассортимент наполнителей, имеющих различные свойства. Это и самые привычные углеродные волокна, и стекловолокно, и базальтовое волокно, и кевларовые волокна. Для получения определенных свойств можно наполнять полимер пустотелыми стеклянными сферами и углеродными нанотрубками.
В нашем арсенале есть и металлонаполненные полимеры, применяемые в технологии формовки MIM (Metal Injection Molding). Правильнее называть их металлополимерными композициями, поскольку в их составе более 93% металла и не менее 7% связующего. Из такого композиционного материала с помощью литья или 3D-печати формуется изделие, затем химически вытравляется связующее, полученная модель запекается в печи, и конечном итоге мы получаем цельнометаллическую деталь.
Кроме того, можно получить композиции, проявляющие ферромагнитные свойства. Они востребованы в задачах, связанных с рентгенографией и радиоэлектроникой.
Эксперты iQB Technologies рекомендуют статью: Аддитивное производство формовочной оснастки из полимерных и композитных материалов
Кто основные потребители полимеров для 3D-печати?
![Сферы потребления](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-applications.jpg)
Самый главный наш потребитель – производство, поскольку аддитивными методами создают либо конечный продукт, либо какую-то его часть, либо оснастку для его производства. Большое количество заказов объясняется регулярностью, систематическим повторением и стабильностью производственного процесса.
Чуть больше четверти объема от производства – это инжиниринговые компании, которые занимаются 3D-печатью прототипов для проверки на собираемость, наглядных моделей и тому подобного.
Большой пласт, составляющий 25%, – сфера образования. Благодаря федеральным программам, таким как «Точка роста», 3D-принтеры поставлены в очень многие образовательные учреждения, и аддитивные технологии являются учебным предметом. Преподавание основ 3D-печати имеет огромное значение, поскольку помогает учащимся изменить образ мышления. Когда мы используем классические субтрактивные технологии – обтачиваем болванку или режем лазером, что-то вырезаем из плоского листа, – это одно мышление. Аддитивное производство снимает многие ограничения, мышление идет совершенно по-другому, и последующее поколение будет мыслить в техническом плане гораздо свободней.
Следующий сегмент занимает персональное потребление, которое может затрагивать абсолютно любые сферы. Это люди, а также малый бизнес, использующие 3D-принтеры для собственных целей, хобби.
И, наконец, медицина. Пока что объемы работ у нас в этой области небольшие, но прецеденты применения есть. Полимеры используется для аддитивного производства ортезов (приспособлений для фиксирования конечностей), протезирования и, совместно с образовательными учреждениями, для изготовления анатомических макетов под разные медицинские нужды.
Какие пластики самые популярные?
![Объемы потребления материалов](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-materials.jpg)
У клиентов REC и 3D Solutions первое место по объему потребления занимает PLA. Это вполне заслуженно, так как печатать им легче, чем каким-либо другим пластиком, и он наименее требователен к оборудованию. Любой самый простой персональный 3D-принтер будет прекрасно работать с этим материалом, и никаких сложностей не возникнет.
Второе место примерно поровну делят материалы ABS и PETG. Они используются в функциональном прототипировании, где PLA далеко не всегда применим из-за крайне низкой термостойкости: при 50 градусах он уже мягкий.
Далее идут различные композиционные материалы, и этот сегмент из года в год растет. В перспективе ближайших пяти лет они, вероятно, выйдут на первое место за счет возможности добиться любых необходимых свойств.
И совсем небольшой сегмент (4%) составляют полиуретаны, эфирные эластомеры – любые гибкие и эластичные полимеры. Их применяют заказчики всех остальных материалов, но для определенных задач, требующих эластичности и гибкости.
Читайте в блоге Композиты в FDM‑печати: виды, преимущества и топ российских материалов
Как применяется 3D-печать термопластами и композитами? Примеры готовых изделий
![Беспилотное такси](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-taxi.jpg)
Перед вами (рис. 1) функциональный прототип беспилотного такси, содержащий в себе огромное количество деталей. Изготавливать каждую из них классическими заводскими методами достаточно сложно, накладно и долго. Благодаря 3D-печати компания-производитель оптимизировала процесс создания многих деталей – отражателей для передней оптики, кронштейнов, держателей, декоративных элементов и пр. Модели, нарисованные на компьютере, тут же на месте распечатывались и устанавливались – так, максимально быстро и просто, был реализован проект полнофункционального рабочего прототипа транспортного средства.
![Захват для робота-манипулятора](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-robot.jpg)
Интересный пример, когда комбинируют материалы для 3D-печати. На фото выше вы видите захват для руки робота-манипулятора. Сами клешни напечатаны из твердого пластика PETG, а внутренние накладки – из эластичного материала. Он гарантирует, что предметы не будут выскальзывать из руки манипулятора.
![Макет топливной системы ракеты](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-rocket.jpg)
Перейдем к сложным системам. На рисунке 3 – реальный макет системы питания космической ракеты «Ангара», напечатанный из ABS-пластика, на нем проверяли собираемость. Необходимо было протестировать, можно ли разработанное устройство с большим количеством компонентов собрать без повреждений.
![Элементы светильников](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-lighting.jpg)
А здесь вы видите, как можно производить конечные изделия целиком при помощи 3D-печати. Компания занимается изготовлением светодиодных светильников небольшими сериями. В некоторых моделях есть пластиковые элементы – заглушки, рассеиватели света. Вся продукция дизайнерская, оригинальная, изготавливать тысячу штук методом литья в силикон получается дороже, не говоря уже о классическом литье пресс-форм: на таком тираже пресс-форма совсем не окупится, детали получатся «золотые». В данном случае 3D-печать – исключительно выгодное решение. В отличие от литья в силикон, аддитивные технологии дают больше свободы в геометрии, и партию можно произвести очень дешево и быстро.
Скорость производства определяется мощностью фермы 3D-принтеров. Как правило, когда мы интегрируем 3D-печать в производство, мы не ограничиваемся одной машиной и создаем ферму. Это целый парк идентичных аддитивных установок, на которые отправляется задание, и они сразу все вместе начинают печатать. Таким образом мы можем значительно увеличить производительность. Это легко масштабируется и стоит достаточно дешево, особенно если применяется FDM – самая доступная из всех технологий 3D-печати.
![Кашпо для левитирующих растений](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-plants.jpg)
Любопытный проект стартапа, который специализируется на левитирующих растениях (рис. 5). Дерево в горшочке летает над деревянным бруском, работает приспособление на магнитах. Итак, задача была изготовить кашпо. Оно должно быть легким, не глиняным, чтобы было проще сделать магнит, и не бояться такой среды, как земля, удобрения и вода. Сначала были попытки выпускать деревянные горшочки, но дерево даже с защитными покрытиями в конечном итоге портилось от внутренней среды. Поэтому было решено внедрить 3D-печать пластиками. Компания заказывала 3D-печать у нас, но когда стало понятно, что производство рентабельно, закупила оборудование и материалы и стала производить кашпо различных дизайнов самостоятельно.
![Макет стопы](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-foot.jpg)
Нельзя обойти вниманием медицину. На фото – макет стопы, напечатанный из белого пластика по результатам компьютерной томографии. 3D-модель была получена на основе КТ и отправлена на 3D-принтер. У изделия есть два варианта применения:
-
студенты с помощью подобных реалистичных макетов могут практиковаться, выявлять патологии, поскольку использование реальных костей весьма ограничено;
-
хирургам по такой модели гораздо проще спланировать стратегию операции, сделать ее точнее на пациенте.
![Прототип эндопротеза](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-implant.jpg)
Еще одно медицинское изделие – прототип эндопротеза (рис. 7). Это предварительная модель, изготовленная из пластика, по которой проверяют точность и правильность протеза. Конечное изделие создают также на 3D-принтере, но уже из металла, по SLM-технологии, с первой попытки получая высокоточную модель индивидуального эндопротеза. Медицинский металл имеет высокую себестоимость и, чтобы исключить ошибки, протезы изначально печатают из пластика.
Читайте по теме: Пластик творит чудеса: как 3D-принтер имитирует органы человека
![Статуи](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-statues.jpg)
Теперь посмотрим, какие выгоды вы можете получить, используя крупноформатную 3D-печать полимерами. Одна из распространенных сегодня сфер применения – производство малых архитектурных форм: скульптур, статуй, декоративных элементов, архитектурных украшений (рис. 8). При помощи 3D-принтера такие модели создаются легко и быстро, и это один из самых дешевых способов изготовления. Кроме того, есть возможность широкого выбора материалов, добавления оптических эффектов, полупрозрачности (например, чтобы встроить внутрь скульптуры светящийся элемент для большего эффекта).
![Фактура большого напечатанного изделия](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-texture.jpg)
Как вы знаете, FDM-печать имеет одну особенность: из-за послойного построения детали получаются «полосатые». Однако этот недостаток можно обернуть в преимущество и при помощи крупноформатного 3D-принтера создавать интересные фактуры, как на рис. 9. Конечно же, в первую очередь это производство дизайнерской мебели и различных декоративных элементов и архитектурных форм.
![3D-печать вспенивающимся композитом](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2021.12.11 REC thermoplastics/rec-foam.jpg)
Для 3D-печати больших объектов по технологии FGF, использующей гранулы полимеров, есть отдельный пласт композиционных материалов. На рис. 10 показан процесс печати материалом, напоминающим монтажную пену. Схожесть не случайна – здесь применен вспенивающийся композит. Один кубометр сырья дает на выходе 25 кубометров вспененного материала. И, как видите, такая технология позволяет достичь очень большой высоты слоя, а чем толще слой, тем быстрее выполняется 3D-печать. А некоторое снижение плотности облегчает всю конструкцию в целом.
Подробнее о крупноформатной 3D-печати пластиком: решения, задачи, примеры внедрения
FDM/FGF-печать имеет весьма низкую точность. Тем более материалы имеют разную усадку, а в случае различной геометрии деталей усадка будет нелинейной, неодинаковой просто из-за особенности самой технологии – из-за того, как укладывается материал, какие температурные нагрузки применяются. В случае производства оснастки, как правило, используют гибридные технологии – модель печатают, а затем рабочую поверхность фрезеруют. Таким образом мы получаем нужную шероховатость и прецизионную точность.
Разная оснастка требует разных материалов. Где-то нужна высокая термостойкость, где-то высокая прочность, а где-то в приоритете максимально низкая цена. Под каждую задачу есть свой оптимальный материал.
И есть огромное поле для оптимизации производства, чтобы изготавливать достаточно большие объекты дешево и за невероятно короткие сроки – буквально за считаные часы.
Фото в заставке © zbulvar.ru
Статья опубликована 12.11.2021 , обновлена 01.06.2023