Filamenty do druku 3D - typy, charakterystyka i zastosowanie w prototypowaniu.
Filamenty do druku 3D - typy, charakterystyka i zastosowanie w prototypowaniu.Data publikacji: 24-03-2023 🕒 7 min czytania
- Czym są filamenty do druku 3D?
- Charakterystyka najważniejszych rodzajów filamentów
- Druk 3D w prototypowaniu
- Druk 3D w elektronice
- Filamenty w ofercie TME
Druk przestrzenny uzyskiwany to rozwiązanie całkiem już ugruntowane na rynku, choć w percepcji wielu osób nadal dość świeże i nowatorskie. Możliwość drukowania całych przedmiotów od zera bardzo zmieniła nie tylko sposób myślenia o prototypowaniu, ale też proces realizacji takich projektów. Tak jak tradycyjna drukarka nie może się obejść bez kartridża czy tonera, tak drukarka 3D nie może nic wykonać bez filamentu, a ten może mieć różne właściwości, na które warto zwrócić uwagę podczas wyboru materiału.
Czym są filamenty do druku 3D?
Filamenty do druku 3D to materiały termoplastyczne używane do drukowania trójwymiarowych obiektów w drodze osadzania stopionego materiału przez drukarkę 3D. Są one dostępne w różnych typach i kolorach, wykonane są z materiałów takich jak ABS (akrylonitrylo-butadieno-styren), PLA (polilaktyd), PET (polietereterftalat), nylon i wiele innych. Dostarczane są w formie zwojów nawiniętych na rolki, które następnie wprowadza się do drukarki 3D. Rozwijany materiał termoplastyczny zostaje przeciśnięty przez dyszę ogrzaną do temperatury powodującej jego topnienie. Dysza, kontrolując przepływ materiału, przemieszcza się przestrzennie według instrukcji podyktowanej przez oprogramowanie (np. CAM). Przypomina to stereolitografię (SLA), w której wytwarzanie również przebiega w drodze nakładania kolejnych, utwardzanych laserem warstw. Druk 3D znajduje zastosowanie w coraz większej liczbie dziedzin, co generuje poszerzanie listy dostępnych na rynku filamentów. Jedne powstają na bazie surowców naturalnych, a inne syntetyzuje się całkowicie ze sztucznych tworzyw. Jednak wszystkie te rodzaje łączy jedna cecha: przyjmują postać cienkich i długich na kilkadziesiąt lub nawet kilkaset metrów włókien nawiniętych na szpule w różnych standardach wielkościowych. Szpule te są wygodne w montażu i demontażu na drukarce oraz(dzięki osłonom bocznym) dobrze zabezpieczają włókna przed zsunięciem się ze szpuli.
Filamenty od uznanych dostawców dostępne są w dwóch podstawowych średnicach włókien: 1.75mm oraz 2.85mm. Z reguły są wykonane starannie i pozbawione przypadkowych zgrubień lub jakichkolwiek nieregularności. Jest to bardzo istotne dla jakości procesu druku, ponieważ każde zgrubienie to naddatek materiału w dyszy i nieco odmienne zachowanie materiału w momencie nakładania go w bieżącej warstwie, a warto pamiętać, że grubość typowej pojedynczej warstwy to około 80% średnicy dyszy, czyli najczęściej nieco mniej niż pół milimetra (np. dla dyszy Ø 0.4mm uzyskana warstwa wyniesie 0.32mm).
Charakterystyka najważniejszych rodzajów filamentów
Istnieje wiele rodzajów filamentów, a więc i tworzyw z których są wytwarzane. Jest jednak pewna grupa, którą można z pewnością nazwać tymi najpopularniejszymi, które warto znać, podejmując się pracy z drukarkami 3D:
ABS (akrylonitrylo-butadieno-styren)
Jest to jeden z najbardziej popularnych rodzajów filamentów do druku 3D. ABS jest trwały i odporny na ściskanie oraz ścieranie, a także dobrze radzi sobie z wysokimi temperaturami. Jest więc idealnym materiałem do druku elementów narażonych na długotrwałą pracę w wymagających warunkach. Może jednak być trudny w obróbce i wydzielać niebezpieczne i zarazem nieprzyjemne zapachy podczas drukowania, a bez gorącego stołu roboczego i kleju do stołu jest podatny na wypaczenie. Jego temperatura druku mieści się w przedziale od 210 do 250°C. Filamenty ABS powstają w wyniku procesu syntezy termoplastycznej. Proces ten polega na mieszaniu trzech składników: akrylonitrylu, butadienu i styrenu, w specjalnym urządzeniu zwanym mieszalnikiem ciągłym, w celu uzyskania jednorodnej masy. Masa ta jest podgrzewana do wysokiej temperatury, aby ją stopić, a następnie jest przepuszczana przez dyszę, która formuje ją w cienkie włókna. W kolejnym kroku włókna te są schładzane i nawijane na rolki. Właściwe mieszanie składników i prawidłowe stopienie i formowanie włókien jest kluczowe dla uzyskania filamentów o wysokiej jakości, które będą działać dobrze w drukarkach 3D.
Typowe zastosowanie ABS obejmuje m.in. wyroby AGD, kaski rowerowe czy klocki dla dzieci. Z ABS wykonywane są też wszelkiego rodzaju obudowy, osłony, uchwyty, dźwignie lub drobne elementy wykończeniowe. Co istotne, materiał ten nie powinien mieć kontaktu z żywnością.
PLA (polilaktyd)
Jest to nietoksyczny i biodegradowalny rodzaj filamentu, łatwy w obróbce i bezpieczny dla środowiska, co sprawiło, że jest dziś najpopularniejszą odmianą filamentów do druku 3D. PLA jest bardziej elastyczny i mniej odporny na wysokie temperatury niż ABS. Jednocześnie jest łatwiejszy do drukowania, gdyż nie wypacza się i nie wymaga stołu grzewczego, potrzebuje niższych temperatur drukowania (180-230°C), a poza tym nie wydziela nieprzyjemnych zapachów. Zastosowanie PLA jest bardzo szerokie i obejmuje choćby produkty wystawowe (figurki) czy też najróżniejsze elementy konstrukcyjne, co ułatwia dostępność wielu jego wersji kolorystycznych. Filamenty PLA powstają w wyniku procesu syntezy termoplastycznej. Proces ten polega na mieszaniu surowców naturalnych (np. skrobi kukurydzianej) z chemicznymi dodatkami, takimi jak kwas laktydowy (polimlekowy) i glikol polietylenowy. Masa ta, podobnie jak w przypadku praktycznie wszystkich filamentów, jest podgrzewana do wysokiej temperatury i następnie przepuszczana przez odpowiednią dyszę formującą ją w cienkie włókna. W kolejnym kroku włókna te są oczywiście schładzane, po czym nawijane na rolki.
Istotna kwestią jest niska odporność PLA na wyższe temperatury, dlatego wydrukowane z niego elementy nie powinny być użytkowane w temperaturach przekraczających 55-60°C. Dużą zaletą jest natomiast zdatność do wykorzystania elementów z tego surowca jako bazy przy pracy z filamentami o właściwościach specjalistycznych (np. przewodzących) oraz jego biodegradowalność.
PETG (politereftalan etylenu z domieszką glikolu)
Jest to trwały i elastyczny rodzaj filamentu o pełnej odporności na wodę i chemikalia, dlatego jest regularnie używany do drukowania przedmiotów, takich jak butelki i inne opakowania. Filamenty PETG powstają w wyniku procesu syntezy termoplastycznej surowców takich jak kwas tereftalowy i glicerol oraz kilku dodatkowych związków chemicznych, mi.in. antyutleniaczy i stabilizatorów. Odporność tego filamentu na chemikalia (oleje, smary czy benzyna) jest jego dużym atrybutem, stąd jego powszechne zastosowanie. Charakteryzuje go ponadto przezroczystość, co w wielu zastosowaniach ma znaczenie.
PA (nylon)
Jest to wytrzymały i elastyczny rodzaj filamentu, nierozpuszczalny i odporny na ścieranie oraz uszkodzenia mechaniczne. Nylon jest często używany do drukowania części, które muszą wytrzymać duże obciążenia, takich jak zębatki czy sprężyny rozprężające. Jednocześnie warto mieć na uwadze jego właściwości higroskopijne, a w trakcie drukowania zabezpieczyć się przed szkodliwymi oparami, jakie wydziela. Filamenty nylonowe powstają w wyniku procesu syntezy termoplastycznej z udziałem surowców takich jak kwas azealinowy i glicerol, do których dodaje się jeszcze antyutleniacze i stabilizatory.
PC (poliakrylonitryl)
Jest to rodzaj filamentu, który jest odporny na wysokie temperatury i cechuje się wysokim stopniem trwałości. PC, zwany poliwęglanem, jest często używany do drukowania części, które muszą wytrzymać wysokie temperatury i obciążenia. Filamenty PC powstają w wyniku procesu syntezy termoplastycznej, w którym zmieszaniu poddawane są takie surowce, jak bisfenol A i kwas karboksylowy wraz z chemicznymi dodatkami w postaci antyutleniaczy i stabilizatorów. TPE (elastomery termoplastyczne) i jego odmianyMateriał ten to tworzywo sztuczne o właściwościach gumopodobnych, dzięki czemu jest niezwykle elastyczne i trwałe. Należy zaznaczyć jednak, że zasadniczo nie jest to jeden typ materiału, tylko cała szeroka klasa kopolimerów i mieszanin polimerów, których miękkie i rozciągliwe włókna wytrzymują naprężenia nieosiągalne ani przez ABS, ani też przez PLA. Filamenty TPE są powszechnie używane do produkcji części samochodowych, sprzętu AGD i artykułów medycznych, jednak nie są one łatwe w obsłudze - TPE często sprawia trudności podczas tłoczenia.
Szczególną odmianą TPE jest termoplastyczny poliuretan (TPU), którego filamenty cieszą się dużą popularnością. W porównaniu do zwykłego TPE, ten materiał jest nieco sztywniejszy, co ułatwia drukowanie. Jest też trochę trwalszy i lepiej zachowuje swoją elastyczność przy niskich temperaturach. Jednak tak jak TPE, jest on również wymagającym filamentem do drukowania – wymaga wąskiej ścieżki filamentu i niskiej prędkości drukowania w temperaturze z przedziału od 210 do 230°C.
Kolejną odmianą TPE jest kopoliester termoplastyczny (TPC). Nie jest on tak powszechnie stosowany, jednak w pewnych zastosowaniach na jego korzyść przemawia wyższa odporność na działanie chemikaliów i promieni UV oraz na temperaturę, która może bez zbytniej szkody dla materiału dochodzić nawet do 150°C.
Druk 3D w prototypowaniu
Znaczenie druku 3D dla prototypowania jest dziś nie do przecenienia. Technologia ta umożliwia tworzenie szybkich i niedrogich modeli fizycznych, co skraca fazę projektowania oraz testowania oraz pozwala znacznie szybciej wdrożyć produkt w jego ostatecznej postaci. Opierając się na druku 3D projektanci i inżynierowie mogą tworzyć wiele wariantów fizycznych danego produktu, by na nich testować kształt, rozmiar i funkcjonalność, a w konsekwencji wybrać opcję najlepszą. Doskonale sprawdza się to np. w branży motoryzacyjnej, gdzie druk 3D jest stosowany nagminnie w projektowaniu i tworzeniu prototypów elementów karoserii czy części montowanych później we wnętrzach pojazdów.
Innym przykładem zastosowania druku 3D w prototypowaniu jest tworzenie modeli medycznych, takich jak protezy, endoprotezy czy narzędzia chirurgiczne. Tutaj skrócenie czasu poszukiwań formy ostatecznej również ma duże znaczenie i dlatego popularność drukarek 3D w branży medycznej rośnie w bardzo dużym tempie. Wreszcie warto wspomnień o prototypowaniu samych form do produkcji wtryskowej – tu również zastosowanie druku 3D ostatecznie pozwala na szybkie i łatwe wytwarzanie nowych wyrobów z tworzyw sztucznych.
Jest jeszcze jeden wymiar stosowania druku 3D w procesach prototypowania – chodzi tu o wymiar finansowy. Samodzielne wykonywanie prototypów, zamiast zlecanie ich zewnętrznym podwykonawcom, jest znacznie mniej kosztowne i przy okazji lepiej chroni własność intelektualną danego producenta.
Druk 3D w elektronice
Jest oczywiste, że druk 3D znalazł zastosowanie również w projektowaniu elektroniki. Podczas projektowania CAD/CAM oddzielne programy projektują płytki drukowane, elektrotechnikę oraz obudowy. Dzięki możliwości natychmiastowego druku obudowy te można szybko i skutecznie projektować i modelować, aż do osiągnięcia optimum.
Jednak najnowsze rozwiązania pozwoliły na coś więcej: drukowanie obudowy wraz z zatopioną wewnątrz niej elektroniką. Jest to wynik połączenia dwóch dość niezależnych do tej pory procesów – druku 3D i automatycznego układania elementów na PCB – z bardzo ciekawym rozwiązaniem, jakim jest przewodzący filament. Efektem jest zatem maszyna do produkcji w pełni funkcjonalnych urządzeń elektronicznych. Wpierw cały obwód przewodzący musi być zaprojektowany w odpowiednim środowisku, a następnie wysłany do oprogramowania łączącego całość w plik, z którego drukarka odczytuje informacje na temat druku obudowy, tworzenia połączeń przewodzących i sposobu układania podzespołów.
Druk 3D umożliwia też produkcję krótkoseryjną, produkcję pod indywidualne zamówienia czy też produkcję elementów do beta testów. Ponadto pozwala też na stworzenie części zamiennych do niestandardowych urządzeń, które z reguły są bardzo drogie.
Filamenty w ofercie TME
TME oferuje filamenty produkowane przez wielu uznanych dostawców i prezentujące szerokie spektrum materiałów powstałych na bazie syntetycznych, jak i naturalnych składników.
Są to zatem tworzywa takie jak ABS w różnych odmianach, ASA (akrylonitryl-styren-akrylan), HIPS (High Impact Polystyrene), PA (nylon, czyli poliamid), PCABS (mieszanka poliwęglanu i ABS), PET (politereftalan etylenu), PLA (polilaktyd), PMMA (polimetakrylan metylowy), PVA (polialkohol winylowy), SILK (odmiana błyszczącego PLA) oraz elastomery termoplastyczne TPE i TPU. Ofertę uzupełniają filamenty dostosowane do specjalistycznych zastosowań przemysłowych z serii iglidur® opartej na wysokowydajnych polimerach bazowych z domieszką różnego rodzaju włókien i smarów stałych. Te ostatnie składniki zapewniają materiałom preferowane właściwości, wymagane w konkretnych wąskich zastosowaniach, na przykład niezbędną trwałość, wytrzymałość czy ograniczone tarcie i zużycie wydrukowanych z nich elementów. Dzięki temu doskonale sprawdzają się m.in. przy wytwarzaniu łożysk.
Transfer Multisort Elektronik (TME) to jeden z największych globalnych dystrybutorów komponentów elektronicznych, elektrotechnicznych, wyposażenia warsztatowego, jak również automatyki przemysłowej. W katalogu dostępnych jest ponad 1 500 000 produktów od 1300 wiodących producentów. Nowoczesne centra logistyczne TME, mieszczące się w Łodzi oraz w Rzgowie, o łącznej powierzchni ponad 40 000m2, każdego dnia wysyłają blisko 6000 paczek z komponentami elektronicznymi do klientów w ponad 150 krajach.
TME angażuje się również w rozwój wiedzy i umiejętności młodych inżynierów i pasjonatów elektroniki poprzez projekt TME Edukacja, a także wspiera społeczność technologiczną, organizując cykl wydarzeń TechMasterEvent, promujących innowacje i wymianę doświadczeń.
