Таблицы свойств конструкционных материалов для 3D-печати

Конструкционные материалы для 3D-печати: характеристики и применение

Таблица 1: Основные механические свойства конструкционных материалов для 3D-печати

Вернуться к оглавлению ↑

Таблица 2: Термические свойства и параметры обработки материалов для 3D-печати

Вернуться к оглавлению ↑

Таблица 3: Параметры размерной стабильности и усадки материалов для 3D-печати

Вернуться к оглавлению ↑

Таблица 4: Сравнительный анализ стоимости и доступности материалов для 3D-печати

Вернуться к оглавлению ↑

1. Введение

Трехмерная печать (3D-печать) произвела революцию в производстве, предоставив возможность создавать сложные геометрические структуры, которые трудно или невозможно изготовить традиционными методами. Ключевым фактором, определяющим функциональность, долговечность и технологичность 3D-печатных изделий, является правильный выбор конструкционных материалов.

В настоящее время для 3D-печати доступен широкий спектр материалов с различными физическими, механическими и химическими свойствами. Понимание этих свойств критически важно для выбора подходящего материала для конкретного применения. Эта статья представляет комплексный анализ современных конструкционных материалов для 3D-печати, включая их механические и термические свойства, размерную стабильность, а также экономические аспекты их использования.

2.1. Механические свойства полимерных материалов

Полимерные материалы являются наиболее распространенными и доступными материалами для FDM/FFF 3D-печати. Они отличаются широким спектром механических свойств, что позволяет выбирать материал в соответствии с требованиями конкретной задачи.

PLA (полилактид) является одним из самых популярных материалов для начинающих пользователей благодаря простоте печати и низкой склонности к деформации. Однако его механические свойства ограничивают применение для функциональных деталей, особенно при повышенных температурах. PLA обладает умеренной прочностью на растяжение (35-60 МПа) и на изгиб (55-80 МПа), но низким относительным удлинением при разрыве (3.5-6%), что делает его хрупким и не подходящим для деталей, подвергающихся динамическим нагрузкам.

ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол) имеет более высокую ударную вязкость (105-320 кДж/м²) и удлинение при разрыве (20-40%), что обеспечивает лучшую устойчивость к ударным нагрузкам. Однако его прочность на растяжение (30-45 МПа) ниже, чем у PLA. ABS хорошо подходит для функциональных прототипов и деталей, которые должны выдерживать умеренные нагрузки и повышенные температуры.

PETG (полиэтилентерефталат гликоль-модифицированный) представляет собой хороший компромисс между простотой печати PLA и механической стойкостью ABS. Он обладает высокой прочностью на растяжение (45-60 МПа), хорошей ударной вязкостью (85-100 кДж/м²) и превосходным удлинением при разрыве (30-140%), что делает его отличным выбором для многих функциональных применений.

Nylon (полиамид) выделяется высоким удлинением при разрыве (30-300%) и превосходной ударной вязкостью (80-450 кДж/м²), что делает его идеальным для деталей, подвергающихся многократным или ударным нагрузкам, таких как шестерни и защитные элементы.

Поликарбонат (PC) обладает наивысшей ударной вязкостью среди распространенных полимеров для 3D-печати (600-850 кДж/м²) и высокой прочностью на изгиб (90-105 МПа), что делает его превосходным материалом для деталей, требующих высокой прочности и устойчивости к ударам.

TPU (термопластичный полиуретан) с его экстремальным удлинением при разрыве (300-600%) является материалом выбора для эластичных деталей, амортизаторов и защитных чехлов.

2.2. Механические свойства металлических материалов

Металлические материалы для 3D-печати предоставляют возможность создавать детали с механическими свойствами, сопоставимыми или превосходящими традиционные литые или кованые металлические детали. Они обычно используются в процессах SLM (селективное лазерное плавление), DMLS (прямое лазерное спекание металлов) или EBM (электронно-лучевая плавка).

Нержавеющая сталь 316L обладает высокой прочностью на растяжение (480-620 МПа) и отличной коррозионной стойкостью, что делает ее подходящей для медицинских имплантатов и деталей, работающих в агрессивных средах. Модуль упругости составляет 180-200 ГПа, что обеспечивает высокую жесткость конструкций.

Титановый сплав Ti6Al4V выделяется исключительной удельной прочностью (отношением прочности к плотности), что делает его идеальным выбором для аэрокосмических применений и медицинских имплантатов. Его предел прочности на растяжение составляет 900-1200 МПа при плотности всего 4.43 г/см³, что значительно ниже плотности стали.

Алюминиевый сплав AlSi10Mg обладает хорошей прочностью (330-380 МПа) при низкой плотности (2.68 г/см³) и отличной теплопроводностью, что делает его предпочтительным для легких конструкций и теплообменников. Однако его относительное удлинение при разрыве составляет всего 3-5%, что указывает на относительную хрупкость по сравнению с титановыми и стальными сплавами.

Следует отметить, что механические свойства металлических деталей, полученных 3D-печатью, сильно зависят от параметров процесса, таких как мощность лазера, скорость сканирования, стратегия сканирования и последующая термическая обработка. Правильно оптимизированный процесс может обеспечить механические свойства, сопоставимые или превосходящие свойства традиционно изготовленных деталей.

2.3. Механические свойства композитных материалов

Композитные материалы для 3D-печати объединяют преимущества различных материалов для создания улучшенных механических свойств. Они обычно состоят из полимерной матрицы, армированной волокнами или наполнителями различной природы.

Углеволокно + Nylon представляет собой композит с исключительно высокой удельной прочностью и жесткостью. Добавление углеродных волокон к нейлоновой матрице повышает предел прочности на растяжение до 80-150 МПа и модуль упругости до 4.0-7.0 ГПа, что значительно превышает показатели чистого нейлона. Однако это происходит за счет снижения удлинения при разрыве (2-8%) и повышения анизотропии свойств.

PLA + древесное волокно представляет собой композит, который имитирует внешний вид и тактильные ощущения деревянных изделий. Механические свойства этого композита, такие как прочность на растяжение (25-35 МПа) и удлинение при разрыве (2-3%), ниже, чем у чистого PLA, но материал предлагает уникальные эстетические качества и возможность постобработки шлифовкой и окраской подобно натуральному дереву.

Важно отметить, что композитные материалы часто проявляют значительную анизотропию свойств, особенно в направлении, перпендикулярном слоям печати (ось Z). Это необходимо учитывать при проектировании деталей и ориентации их в пространстве печати.

3.1. Влияние термических свойств на качество печати

Термические свойства материалов для 3D-печати непосредственно влияют на качество печати, размерную точность и механические свойства готовых изделий. Понимание этих свойств критически важно для оптимизации параметров печати.

Температура стеклования (Tg) определяет температуру, при которой аморфный полимер переходит из твердого в вязкоупругое состояние. Материалы с низкой Tg, такие как PLA (55-65°C), не подходят для применений, где детали могут нагреваться выше этой температуры. Напротив, поликарбонат с Tg около 145-150°C сохраняет свои механические свойства при гораздо более высоких температурах.

Температура плавления/спекания определяет минимальную температуру, необходимую для перевода материала в жидкое или полужидкое состояние. Эта температура должна быть достигнута в сопле принтера для обеспечения надлежащего течения материала и адгезии между слоями. Например, PLA плавится при 150-180°C, в то время как для нейлона требуется температура 180-250°C, а для поликарбоната - 260-310°C.

Коэффициент теплового расширения (КТР) играет важную роль в размерной стабильности детали во время и после печати. Материалы с высоким КТР, такие как ABS (73-95×10⁻⁶/K) и TPU (150-200×10⁻⁶/K), более склонны к деформации (варпингу) и требуют подогреваемой платформы и, возможно, закрытой камеры печати. Материалы с низким КТР, такие как PLA (68-70×10⁻⁶/K) и PETG (60-70×10⁻⁶/K), менее подвержены деформации.

Теплопроводность влияет на скорость, с которой тепло распространяется в материале. Материалы с высокой теплопроводностью, такие как металлы (алюминиевый сплав AlSi10Mg: 170 Вт/м·K), быстро отводят тепло от точки печати, что может привести к недостаточному сплавлению слоев при слишком высоких скоростях печати. Напротив, полимеры с низкой теплопроводностью (PLA: 0.13 Вт/м·K, ABS: 0.17 Вт/м·K) дольше сохраняют тепло, что способствует лучшей адгезии между слоями, но может приводить к перегреву и деформации тонких элементов.

3.2. Особенности термической обработки различных материалов

Термическая постобработка может значительно улучшить механические свойства и размерную стабильность 3D-печатных деталей. Для различных материалов применяются различные методы термической обработки.

Для полимерных материалов отжиг (контролируемый нагрев детали до температуры ниже температуры плавления, но выше температуры стеклования) может увеличить кристалличность, снизить внутренние напряжения и улучшить размерную стабильность. Например, отжиг PLA при 80-100°C в течение 1-2 часов может значительно повысить его теплостойкость и механическую прочность.

Для нейлона и других гигроскопичных материалов сушка перед печатью и отжиг после печати помогают снизить влагопоглощение и стабилизировать размеры. Нейлон рекомендуется сушить при 80-90°C в течение 4-8 часов перед печатью для удаления абсорбированной влаги.

ABS и некоторые другие полимеры могут подвергаться сглаживанию парами ацетона или других растворителей, что улучшает поверхность детали и увеличивает герметичность, хотя может незначительно снизить механическую прочность.

Для металлических деталей, полученных методами SLM/DMLS/EBM, часто требуется отжиг для снятия внутренних напряжений, возникающих из-за быстрого нагрева и охлаждения во время процесса печати. Например, детали из нержавеющей стали 316L обычно отжигают при 650-980°C, а детали из титанового сплава Ti6Al4V - при 700-800°C.

HIP (горячее изостатическое прессование) является еще одним распространенным методом постобработки металлических деталей. Этот процесс включает нагрев детали под высоким давлением инертного газа, что позволяет устранить внутренние поры и повысить плотность и механические свойства. Например, детали из Ti6Al4V обычно подвергают HIP при 900-955°C и давлении 100-200 МПа.

4.1. Факторы, влияющие на размерную стабильность

Размерная стабильность 3D-печатных деталей зависит от нескольких ключевых факторов, таких как коэффициент усадки, тенденция к деформации, анизотропия свойств и влагопоглощение.

Коэффициент усадки характеризует уменьшение размеров детали при охлаждении от температуры печати до комнатной температуры. Материалы с высоким коэффициентом усадки, такие как нейлон (1.0-2.5%) и керамика (15-20% при спекании), требуют компенсации усадки на этапе проектирования. Материалы с низким коэффициентом усадки, такие как PLA (0.2-0.5%) и PETG (0.4-0.7%), обеспечивают лучшую размерную точность без специальной компенсации.

Тенденция к деформации (варпингу) связана с неравномерным охлаждением и усадкой разных частей детали. Материалы с высокой тенденцией к деформации, такие как ABS, PC и керамика, требуют специальных мер для обеспечения хорошей адгезии к платформе, использования подогреваемой платформы и, возможно, закрытой камеры печати. Материалы с низкой тенденцией к деформации, такие как PLA, PETG и TPU, более снисходительны к условиям печати.

Анизотропия свойств проявляется в различии механических и размерных характеристик в разных направлениях. Все 3D-печатные детали проявляют некоторую степень анизотропии, особенно в направлении оси Z (перпендикулярно слоям). Материалы с высокой анизотропией, такие как композиты с углеволокном, требуют особого внимания к ориентации детали в пространстве печати для обеспечения оптимальных механических свойств в направлении основных нагрузок.

Влагопоглощение может значительно влиять на размеры и механические свойства деталей, особенно для гигроскопичных материалов, таких как нейлон (1.0-3.0% влагопоглощения) и PLA + древесное волокно (1.0-3.0%). Эти материалы могут расширяться при поглощении влаги из окружающей среды, что приводит к изменению размеров и снижению механических свойств. Для критически важных применений рекомендуется герметизация или покрытие деталей из гигроскопичных материалов.

4.2. Методы компенсации усадки и деформации

Существует несколько эффективных методов компенсации усадки и деформации при 3D-печати.

Масштабирование модели перед печатью является наиболее распространенным методом компенсации усадки. Коэффициент масштабирования обычно рассчитывается как 1/(1-коэффициент усадки). Например, для материала с коэффициентом усадки 1%, коэффициент масштабирования составляет 1/(1-0.01) = 1.01 или 101%. Для некоторых материалов, таких как керамика с высоким коэффициентом усадки при спекании (15-20%), необходимо значительное масштабирование.

Оптимизация температуры печати и платформы может помочь минимизировать деформацию. Более высокая температура платформы улучшает адгезию первого слоя и снижает градиент температуры в детали, что уменьшает внутренние напряжения. Например, для ABS рекомендуется температура платформы 90-110°C, а для поликарбоната - 100-130°C.

Использование закрытой камеры или термошкафа создает контролируемую среду с повышенной температурой вокруг детали, что снижает градиент температуры и связанные с ним внутренние напряжения. Этот метод особенно эффективен для материалов с высокой тенденцией к деформации, таких как ABS, PC и высокотемпературные полимеры.

Для материалов с высокой анизотропией, таких как композиты с углеволокном, правильная ориентация детали в пространстве печати может значительно улучшить механические свойства. Например, размещение детали таким образом, чтобы волокна были ориентированы вдоль направления основной нагрузки, может повысить прочность на 30-50%.

Для гигроскопичных материалов, таких как нейлон и PLA + древесное волокно, рекомендуется сушка филамента перед печатью и хранение готовых деталей в условиях контролируемой влажности или с применением герметизирующих покрытий.

5.1. Факторы, влияющие на стоимость материалов

Стоимость материалов для 3D-печати зависит от нескольких факторов, включая сложность производства, масштаб производства, чистоту и однородность, а также рыночный спрос.

Стандартные полимеры, такие как PLA (15-30 $/кг) и ABS (18-35 $/кг), имеют относительно низкую стоимость благодаря массовому производству и высокому спросу. Эти материалы доступны от множества производителей, что создает конкурентную среду и снижает цены.

Инженерные полимеры, такие как нейлон (40-100 $/кг) и поликарбонат (45-90 $/кг), имеют более высокую стоимость из-за более сложного процесса производства и более ограниченного рынка. Эти материалы требуют более высоких температур обработки и часто поставляются с добавками для улучшения печатаемости или специфических свойств.

Металлические порошки для SLM/DMLS/EBM имеют значительно более высокую стоимость из-за сложности процесса производства, требований к чистоте и размеру частиц, а также относительно небольшого рынка. Нержавеющая сталь 316L (80-150 $/кг) является одним из наиболее доступных металлических материалов, в то время как титановый сплав Ti6Al4V (300-500 $/кг) и специализированные сплавы могут быть значительно дороже.

Композитные материалы, такие как углеволокно + нейлон (90-200 $/кг), имеют высокую стоимость из-за сложности процесса производства и специфических требований к оборудованию для печати. Эти материалы часто требуют специальных сопел с повышенной износостойкостью и более мощных экструдеров.

Керамические материалы для 3D-печати (100-300 $/кг) также имеют высокую стоимость из-за специфических требований к составу и постобработке. Эти материалы часто требуют специализированного оборудования для печати и последующего спекания.

5.2. Анализ эффективности затрат для различных применений

Выбор материала для 3D-печати должен основываться не только на начальной стоимости материала, но и на общей эффективности затрат, которая включает долговечность, функциональность, время печати и постобработку.

Для прототипов и макетов, где механические свойства не критичны, PLA (15-30 $/кг) предлагает лучшее соотношение цена/качество благодаря низкой стоимости, простоте печати и отсутствию необходимости в специальном оборудовании. PETG (20-40 $/кг) может быть хорошей альтернативой, если требуется немного более высокая прочность и устойчивость к влаге.

Для функциональных деталей, подвергающихся механическим нагрузкам, нейлон (40-100 $/кг) и его композиты с углеволокном (90-200 $/кг) предлагают лучшее соотношение цена/качество для большинства применений. Несмотря на более высокую начальную стоимость, эти материалы обеспечивают значительно более высокую прочность, износостойкость и долговечность, что снижает общую стоимость владения для функциональных деталей.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, поликарбонат (45-90 $/кг) и высокотемпературные полимеры предлагают наилучшее соотношение цена/качество, несмотря на более высокую начальную стоимость и более сложные требования к печати. Эти материалы могут работать при температурах, недоступных для стандартных полимеров, что делает их незаменимыми для определенных применений.

Для деталей с максимальными механическими требованиями, таких как аэрокосмические компоненты и медицинские имплантаты, металлические материалы (нержавеющая сталь 316L: 80-150 $/кг, Ti6Al4V: 300-500 $/кг) являются единственным жизнеспособным вариантом, несмотря на их высокую стоимость. В этих случаях преимущества 3D-печати, такие как возможность создания сложных геометрий и внутренних структур, часто перевешивают высокую стоимость материала.

При анализе эффективности затрат также необходимо учитывать стоимость оборудования для печати, постобработки и квалификацию персонала. Например, для печати металлами требуется значительно более дорогое оборудование и более высокая квалификация операторов по сравнению с печатью стандартными полимерами.

6. Критерии выбора конструкционных материалов для 3D-печати

Выбор оптимального материала для 3D-печати должен основываться на комплексном анализе требований к конечному изделию и возможностей доступного оборудования.

Первостепенным фактором являются механические требования к детали: прочность, жесткость, ударная вязкость и износостойкость. Для деталей, подвергающихся высоким нагрузкам, следует выбирать материалы с высокой прочностью на растяжение и изгиб, такие как нейлон, поликарбонат или металлические сплавы. Для деталей, подвергающихся ударным нагрузкам, важна высокая ударная вязкость, которую обеспечивают ABS, нейлон и поликарбонат. Для деталей, требующих эластичности, оптимальным выбором будет TPU или аналогичные гибкие материалы.

Термические требования также являются критичными. Для деталей, работающих при повышенных температурах, необходимы материалы с высокой температурой стеклования и теплостойкостью, такие как поликарбонат, PEEK или металлические сплавы. Для деталей, подвергающихся термоциклированию, важна низкая тенденция к деформации и низкий коэффициент теплового расширения.

Химическая стойкость критична для деталей, контактирующих с агрессивными средами. Нержавеющая сталь 316L, PETG и некоторые специализированные полимеры, такие как PVDF и PEEK, обладают высокой химической стойкостью к различным средам.

Размерная точность и стабильность особенно важны для функциональных деталей с жесткими допусками. Материалы с низким коэффициентом усадки и низким влагопоглощением, такие как PLA и PETG, обеспечивают лучшую размерную точность.

Биосовместимость необходима для медицинских применений. Некоторые материалы, такие как медицинский PLA, нержавеющая сталь 316L и титановый сплав Ti6Al4V, сертифицированы для определенных медицинских применений, включая имплантаты.

Наконец, экономические факторы, такие как стоимость материала, доступность, скорость печати и требования к постобработке, также должны учитываться при выборе материала для конкретного применения.

7. Перспективные направления развития материалов для 3D-печати

Развитие материалов для 3D-печати идет в нескольких направлениях, направленных на расширение возможностей аддитивного производства и улучшение свойств печатаемых деталей.

Высокопроизводительные полимеры, такие как PEEK, PEKK и ULTEM, становятся все более доступными для 3D-печати. Эти материалы обладают исключительной теплостойкостью (Tg до 280°C), химической стойкостью и механической прочностью, что делает их подходящими для замены металлов в некоторых аэрокосмических и промышленных применениях.

Функциональные композиты с различными наполнителями, такими как металлические частицы, керамические волокна и наноматериалы, расширяют функциональные возможности 3D-печати. Например, композиты с углеродными нанотрубками могут обладать улучшенными механическими и электрическими свойствами, а композиты с металлическими частицами могут обладать улучшенной теплопроводностью.

Биоматериалы и биоразлагаемые полимеры представляют растущий сегмент рынка материалов для 3D-печати. Эти материалы, такие как PCL (поликапролактон), PHA (полигидроксиалканоаты) и модифицированные формы PLA, находят применение в медицине, тканевой инженерии и экологически ориентированных продуктах.

Многоматериальная печать, позволяющая создавать детали с различными материалами в разных областях, является одним из наиболее перспективных направлений. Эта технология позволяет объединить преимущества различных материалов в одной детали, например, жесткость и прочность в одних областях и гибкость в других.

Интеллектуальные материалы, такие как материалы с памятью формы, пьезоэлектрические и магнитострикционные материалы, открывают новые возможности для создания 3D-печатных датчиков, исполнительных механизмов и адаптивных структур.

8. Заключение

Выбор конструкционного материала для 3D-печати является критически важным фактором, определяющим функциональность, долговечность и технологичность печатаемых изделий. Современный рынок предлагает широкий спектр материалов с различными свойствами, от стандартных полимеров, таких как PLA и ABS, до высокопроизводительных инженерных полимеров, металлических сплавов и композитов.

При выборе материала необходимо учитывать механические, термические и химические требования к детали, а также экономические факторы, такие как стоимость материала, доступность и требования к оборудованию для печати и постобработки.

Развитие материалов для 3D-печати продолжается быстрыми темпами, с акцентом на высокопроизводительные полимеры, функциональные композиты, биоматериалы, многоматериальную печать и интеллектуальные материалы. Эти разработки расширяют возможности аддитивного производства и открывают новые области применения этой технологии.

Понимание свойств и характеристик различных материалов, представленных в данной статье, поможет инженерам и дизайнерам сделать обоснованный выбор материала для конкретного применения и максимально использовать преимущества 3D-печати в своих проектах.