Wraz z rozwojem metod wytwarzania przyrostowego, pojawia się potrzeba wykorzystywania coraz to nowych rodzajów tworzyw. Obecnie do tego celu wykorzystuje się różne rodzaje materiałów, takie jak żywice (akrylowe, epoksydowe), tworzywa termoplastyczne (ABS, PLA, Nylon), kompozyty polimerów z ceramiką, gipsem, metalami, a także różnego rodzaju proszki wraz z substancjami wiążącymi. Te materiały umożliwiają produkcję elementów o różnych właściwościach mechanicznych, termicznych, chemicznych oraz wyglądzie zewnętrznym. Przykładowe materiały wykorzystywane w metodach wytwarzania przyrostowego przedstawiono w tabeli poniżej.
Materiały wykorzystywane w poszczególnych metodach druku 3D.
Jak można zauważyć w tabeli występują, różne rodzaje materiałów jakie stosowane są w wytwarzaniu przyrostowym co oznacza, że można je klasyfikować ze względu na różne parametry i właściwości. Najogólniej materiały stosowane w druku 3D można podzielić pod względem rodzaju na:
🧪 Polimery:
✦ Tworzywa termoplastyczne: są to materiały najczęściej stosowane w produkcji przyrostowej. Przykłady obejmują PLA, ABS, PETG, Nylon, PEEK, ULTEM, TPU i wiele innych. Oferują szeroki zakres właściwości mechanicznych, termicznych i chemicznych.
✦ Fotopolimery: Materiały te są wykorzystywane w procesach stereolitografii (SLA) i cyfrowego przetwarzania światła (DLP). Zestalają się pod wpływem światła o określonej długości fali. Przykłady obejmują różne żywice zoptymalizowane do różnych zastosowań.
⚙️ Metale:
✦ Stal nierdzewna: Często używana do prototypów funkcjonalnych i części do zastosowań końcowych wymagających dobrych właściwości mechanicznych i odporności na korozję.
✦ Aluminium: Lekki metal odpowiedni do zastosowań w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym.
✦ Tytan: Znany z wysokiego stosunku wytrzymałości do masy i biokompatybilności, powszechnie stosowany w implantach medycznych i przemyśle lotniczym.
✦ Inconel,kobalt chromowy i inne stopy: Materiały te zapewniają odporność na wysoką temperaturę i są wykorzystywane w wymagających zastosowaniach, takich jak przemysł lotniczy i motoryzacyjny.
🔥 Ceramika:
✦ Cyrkon: Używany do zastosowań dentystycznych i medycznych ze względu na swoją biokompatybilność i odporność na zużycie.
✦ Tlenekglinu: Zapewnia wysoką wytrzymałość mechaniczną i właściwości izolacji elektrycznej, stosowany w różnych zastosowaniach elektronicznych i mechanicznych.
✦ Węglikkrzemu: Znany ze swojej wysokiej twardości i przewodności cieplnej, stosowany w zastosowaniach inżynieryjnych wymagających ekstremalnej odporności na zużycie i temperaturę.
🧩 Kompozyty:
✦ Polimery wzmocnione włóknem węglowym (CFRP): Łączenie polimerów z włóknami węglowymi pozwala uzyskać materiały o wysokim stosunku wytrzymałości do masy, stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i sportowym.
✦ Polimery wzmocnione włóknem szklanym (GFRP): podobne do CFRP, ale z włóknami szklanymi, oferujące różne właściwości odpowiednie do różnych zastosowań.
⚙️🧱 Kompozyty ceramiczno-metalowe: Materiały te łączą w sobie właściwości ceramiki i metali, oferując takie zalety, jak zwiększona wytrzymałość i odporność na szok termiczny.
🌱 Materiały biodegradowalne: Niektóre polimery stosowane w produkcji przyrostowej ulegają biodegradacji, dzięki czemu nadają się do zastosowań, w których priorytetem jest zrównoważony rozwój.
🧬 Żywność i biomateriały: Wytwarzanie przyrostowe jest również wykorzystywane do drukowania produktów spożywczych, takich jak czekolada i cukier, a także biomateriałów do inżynierii tkankowej i implantów medycznych.
Udział w rynku materiałów do druku 3D według rodzaju, 2022 r. (%)
(Źródło: https://www.precedenceresearch.com/3d-printing-materials-market)
Na rysunku powyżej przedstawiono procentowy udział w rynku materiałów do druku 3D według rodzaju, z którego widać, że grupa polimerów stanowi ponad połowę udziału. Na rynku dostępnych jest już wiele materiałów z grupy polimerów, a co ciekawe, opracowywanych i testowanych jest coraz więcej tworzyw sztucznych, które będą oferować znacznie szerszy zakres właściwości fizycznych, chemicznych i mechanicznych, otwierając tym samym drogę do szeregu nowych zastosowań druku 3D.
Przyjrzyjmy się zatem materiałom dostępnym na rynku dla technologii przyrostowej (FDM) sprzedawanych w formie filamentu. Filament w kontekście druku 3D to materiał w postaci cienkiego, walcowanego lub wytłaczanego przewodu, który jest używany jako surowiec w procesie druku addytywnego. Filamenty mogą mieć różne średnice, najczęściej spotykanymi są 1.75 mm i 2.85 mm, chociaż istnieją także inne rozmiary.
PLA (Polilaktyd) to podstawowy materiał stosowany w drukarkach 3D pracujących w technologii przyrostowej (FDM). Jest łatwy w druku i posiada właściwości wytrzymałościowe odpowiednie dla większości elementów prototypowych, zwłaszcza ozdobnych. Dostępny jest w szerokiej gamie kolorystycznej. Niemniej jednak, PLA nie jest odporny na długotrwałe działanie wysokich temperatur (+60°C), co prowadzi do jego odkształcania się. Nie jest zalecany do druku elementów, które pracują długotrwale pod obciążeniem.
Główne cechy PLA:
Jest biodegradowalny.
Nie wymaga podgrzanego stołu.
Ma niewielki skurcz.
Brak odporności na promieniowanie UV.
Odkształca się pod wpływem wysokiej temperatury.
Posiada dobre właściwości wytrzymałościowe.
Typowe temperatury druku wynoszą między 190°C a 230°C.
Oprócz standardowego PLA, dostępne są także modyfikowane wersje, charakteryzujące się podwyższonymi właściwościami wytrzymałościowymi przy zachowaniu łatwości druku.
Szpule filamentu PLA
(Źródło: https://makergear.com/products/pla)
ABS (akrylonitryl butadien styren) to drugi co do popularności materiał należący do grupy materiałów technicznych wykorzystywanych w drukarkach 3D pracujących w technologii przyrostowej (FDM). Ze względu na swoje właściwości wytrzymałościowe jest często używany do drukowania funkcjonalnych prototypów. Jednak jego wadami są konieczność utrzymania stabilnych warunków temperaturowych podczas druku i zapewnienie silnej adhezji do stołu roboczego, ponieważ ABS charakteryzuje się dużym skurczem.
Główne cechy ABS:
Duży skurcz.
Wymaga podgrzanego stołu roboczego (90°C - 110°C).
Wskazane jest drukowanie w grzanej komorze (35°C - 50°C).
Opary wydzielające się podczas druku są toksyczne.
Generuje nieprzyjemny zapach podczas druku.
Rozpuszczalny w acetonie.
Niska odporność na ścieranie.
Niska gęstość.
Niski koszt materiału.
Wysoka odporność cieplna.
Absorbuje wilgoć.
Utrzymuje właściwości wytrzymałościowe pod wpływem temperatury.
Właściwości wytrzymałościowe są słabsze w warunkach normalnych w porównaniu do PLA.
Wysoka udarność.
Typowe temperatury druku wynoszą między 240°C a 260°C.
Oprócz standardowego ABS dostępne są również modyfikowane wersje, charakteryzujące się mniejszym skurczem, brakiem konieczności drukowania w zamkniętej grzanej komorze oraz ograniczeniem toksycznych związków lotnych wydzielających się podczas druku 3D.
PETG (Politereftalen etylu + glikol) – zaraz po PLA jest to kolejny z popularnych materiałów stosowanych wykorzystywanych w technologii przyrostowej (FDM). Charakteryzuje się on lepszymi własnościami wytrzymałościowymi (szczególnie jeśli chodzi o udarność) i lepszą odpornością cieplną, dodatkowo wykazuje dobrą odpornością na niekorzystne działanie smarów. Występuje w bardzo szerokiej gamie kolorystycznej. Materiał ten powinien być przechowywany w suchych warunkach ze względu na dużą chłonność wilgoci, której obecność odbija się negatywnie na właściwościach materiału oraz procesie samego druku 3D. Charakterystyczną cechą zawilgoconego PETG jest pojawianie się nitek przy przejazdach jałowych głowicy, mimo poprawnie skonfigurowanego profilu druku 3D.
Główne cechy PETG:
🛠️ Dobre własności wytrzymałościowe (wyższe niż PLA),
🛠️ Wysoka udarność,
🛠️ Niewielki skurcz,
🛠️ Chłonie wilgoć,
🛠️ Zalecany druk na grzanym stole roboczym (~60°C),
🛠️ Odporność na działanie typowych smarów,
🛠️ Brak odporności na działanie promieni UV,
🛠️ Dobra odporność na ścieranie,
🛠️ Dobra wytrzymałość cieplna (generalnie wyższa niż PLA),
🛠️ Typowe temperatury druku (230°C - 250°C).
PA (Poliamid / Nylon)– materiał o bardzo dobrych własnościach wytrzymałościowych. Jeden z najtrwalszych materiałów stosowanych w technologii addytywnej (FDM). Występuje kilka odmian nylonu wykorzystywanych w druku 3D, nazywanych PA6, PA6.6, PA12. Każdy rodzaj wyróżnia się odmiennymi właściwościami. Wadą materiału podobnie jak w przypadku tworzywa ABS jest zapewnienie bardzo stabilnych warunków temperaturowych w procesie druku ze względu na wysoki skurcz. Zawilgocony poliamid praktycznie staje się nie zdatny do druku, ze względu na słabe wiązanie warstw oraz słabą jakość ścianek zewnętrznych wydruków.
Główne cechy PA6 / PA 6.6:
Niższy skurcz w porównaniu do PA12,
Wyższa absorbcja wilgoci w porównaniu do PA12,
Opary powstające podczas druku są toksyczne,
Wyższy skurcz niż w przypadku ABS,
Wysoka odporność cieplna (w zależności od producenta od 100°C w górę),
Bardzo dobre własności wytrzymałościowe,
Wymagany druk na grzanym stole roboczym (60°C – 90°C w zależności od producenta),
Wskazany druk w grzanej komorze (35°C – 50°C),
Wysoka odporność na ścieranie,
Typowe temperatury druku (250°C – 300°C),
Wysoka odporność chemiczna.
Główne cechy PA12:
🛠️ Niższa absorbcja wilgoci w porównaniu do PA6,
🛠️ Wyższy skurcz w porównaniu do PA6,
🛠️ Niższa udarność w porównaniu do PA6,
🛠️ Bardzo dobre własności wytrzymałościowe,
🛠️ Wyższy skurcz niż w przypadku ABS,
🛠️ Wysoka odporność chemiczna,
🛠️ Opary powstające podczas druku są toksyczne,
🛠️ Niska odporność na promieniowanie UV,
🛠️ Typowe temperatury druku (250°C – 280°C),
🛠️ Wymagany druk na grzanym stole roboczym (60°C – 90°C),
🛠️ Wskazany druk w grzanej komorze (35°C – 50°C).
PEEK (polieteroeteroketon) – Materiał o bardzo dobrych własnościach wytrzymałościowych i chemicznych. Jest uznawany za najbardziej wytrzymały mechanicznie materiał dostępny w technologii przyrostowej (FDM). Charakteryzuje się bardzo wysoką odpornością temperaturową. Dostępny jest również w wersjach z domieszkami włókien węglowych bądź włókien szklanych. Najczęściej występuje w barwie zbliżonej do beżowego lub czarnej. Nie jest to materiał zalecany dla początkujących użytkowników drukarek 3D, ponieważ wymaga dużego doświadczenia z odpowiednim doborem parametrów druku i przygotowania urządzenia. Materiał ten wymaga zapewnienia stabilnych warunków temperaturowych. Zawilgocony PEEK charakteryzuje się tym, że podczas procesu druku 3D da się usłyszeć charakterystyczne „trzaski” wydobywające się z końcówki dyszy, mimo prawidłowo ustawionej temperatury druku.
Główne cechy PEEK:
🛠️ Bardzo dobre własności wytrzymałościowe,
Wysoka udarność,
Wysoka sztywność,
Bardzo wysoka odporność temperaturowa (do 350°C)
Wysoka odporność na działanie smarów, rozpuszczalników itp.,
Opary powstające podczas druk są toksyczne,
Wymagany druk na grzanym stole roboczym (120°C – 160°C),
Wymagany druk w grzanej komorze (60°C – 100°C),
Typowe temperatury druku (350°C – 450°C),
🛠️ Bardzo wysoki koszt materiału,
🛠️ Wysoki skurcz materiału,
🛠️ Wysoka absorbcja wilgoci.
Element konstrukcyjny wykonany z materiału PEEK
(Źródło: https://waykenrm.com/blogs/peek-material-and-properties/)
PEI (polieteroimid / ULTEM) – Materiał techniczny o bardzo dobrych własnościach wytrzymałościowych i chemicznych, zbliżonych do materiału PEEK. Materiał PEI stosowany w drukarkach 3D, pracujących w technologii przyrostowej (FDM) występuje często pod nazwą handlową ULTEM. Przy bezpośrednim porównaniu z materiałem PEEK, PEI w kontekście własności wytrzymałościowych jest materiałem słabszym, jednak charakteryzuje się większą prostotą druku niż klasyczny PEEK. Bardzo ważną zaletą PEI jest wysoka ognioodporność, ponieważ materiał ten jest niepalny. Posiada również wysoką odporność chemiczną. Jest bardzo często wykorzystywany w przemyśle lotniczym. Zawilgocony PEI charakteryzuje podobnie jak PEEK tym, że można usłyszeć charakterystyczne „trzaski” wydobywające się z końcówki dyszy podczas wydruku.
Główne cechy PEI:
🛠️ Bardzo dobre własności wytrzymałościowe (zbliżone do PEEK),
🛠️ Wysoka udarność,
🛠️ Wysoka sztywność,
🛠️ Bardzo wysoka odporność temperaturowa (do 200°C)
🛠️ Wysoka odporność chemiczna
🛠️ Opary powstające podczas druku są toksyczne,
🛠️ Wymagany druk na grzanym stole roboczym (120°C – 160°C),
Wymagany druk w grzanej komorze (50°C – 80°C),
🛠️ Typowe temperatury druku (350°C – 380°C),
🛠️ Wysoki skurcz materiału
🛠️ Wysoka absorbcja wilgoci
🛠️ Materiał niepalny
🛠️ Wysoka ognioodporność
🛠️ Wysoki koszt materiału (niższy w porównaniu do PEEK).
TPU (termoplastyczny Poliuretan) – materiał gumo podobny jest skutecznie wykorzystywany w technologii przyrostowej (FDM) w drukarkach 3D do produkcji prototypowych elementów, które muszą posiadać właściwości zbliżone do gumy. Dostępny jest w zależności od producentów, w różnych skalach twardości Shore’a.
Główne cechy TPU:
Bardzo dobra spajalność warstw,
Posiada cechy gumy,
Odporność na działanie smarów,
Bardzo dobre własności wytrzymałościowe,
Zalecany druk na grzanym stole roboczym (w zależności od producenta 40°C – 80°C),
Generalnie niski skurcz (zależny od danego producenta i rodzaju TPU),
Wymaga niskich prędkości druku (20 – 40 mm/s),
🛠️ Typowe temperatury druku (200°C – 240°C).
Nazwa TPU jest powszechnie stosowana dla wszystkich termoplastycznych materiałów występujących w postaci filamentów przeznaczonych do drukarek 3D działających w technologii przyrostowej (FDM). Producenci nie zawsze ją stosują i różnie nazywają swoje materiały np.: (Flex, Fiberflex, NinjaFlex, Flex MH)
HIPS (Polistyren wysoko udarowy)– materiał zbliżony właściwościami do ABS, charakteryzujący się wysoką udarnością. Ze względu na podobne wymagania środowiskowe do ABS, jest najczęściej używany jako materiał podporowy (rozpuszczalny) przy skomplikowanych wydrukach z ABS. HIPS, podobnie jak ABS, ma tendencję do absorbowania wilgoci. Jest dostępny głównie w kolorze mlecznym, który jest jego naturalnym kolorem.
Główne cechy HIPS:
🛠️ Materiał biodegradowalny,
🛠️ Stosowany głównie jako materiał podporowy dla wydruków z ABS,
🛠️ Własności wytrzymałościowe zbliżone do ABS,
🛠️ Duży skurcz,
🛠️ Opary powstające podczas druku są toksyczne,
🛠️ Wymagany druk na grzanym stole roboczym (90°C – 110°C),
🛠️ Wskazany druk w grzanej komorze (35°C – 50°C),
🛠️ Rozpuszczalny w limonenie,
🛠️ Bardzo mała gęstość (najlżejszy materiał dostępny w technologii FDM),
🛠️ Typowe temperatury druku (235°C – 245°C).
Materiały domieszkowane – Na rynku filamentów dostępne są również materiały domieszkowane, wzbogacone dodatkami pozwalającymi na zwiększenie własności wytrzymałościowych lub pozwalającymi na tworzenie efektownych modeli pod względem wizualnym. Najczęściej stosowanymi domieszkami, mającymi poprawić własności wytrzymałościowe są:
✦ Carbon fiber – włókno węglowe. Filamenty wzbogacone tym włóknem mają zazwyczaj w swojej nazwie dopisek „CF, +CF,CF15, +CF15%” gdzie liczba przy symbolu CF oznacza procentowy udział dodatku w filamencie. Filamenty z dodatkiem włókna węglowego występują w kolorze czarnym.
✦ Glass fiber – włókno szklane. Filamenty wzbogacone tym włóknem posiadają zwykle w nazwie dopisek „GF, +GF, GF15, +GF15%” gdzie liczba przy symbolu GF oznacza podobnie jak w przypadku włókien węglowych procentową obecność dodatku w filamencie.
Aby drukować filamentami wzmocnionymi włóknem węglowym lub szklanym, zaleca się korzystanie z specjalnych dysz wykonanych z utwardzanej stali, ponieważ posiadają one znacznie większą odporność na ścieranie niż tradycyjne dysze mosiężne.
Na rynku dostępne są filamenty przeznaczone do druku modeli, które mają kontakt z komponentami elektronicznymi wrażliwymi na wyładowania elektrostatyczne. Te filamenty charakteryzują się właściwościami rozpraszającymi ładunki elektrostatyczne oraz antystatycznymi. Należą do nich materiały, które posiadają dodatkowe znacznie ESD. Filamenty elektrostatyczne wytwarzane są na bazie PLA, ABS, PETG.
Druk 3D jest używany nie tylko do prototypowania elementów konstrukcyjnych, ale także do tworzenia modeli pokazowych, dzieł artystycznych oraz elementów makiet i dioram. Producenci filamentów posiadają bardzo bogatą gamę niestandardowych materiałów pozwalających na poprawę wyglądu modeli, do których zaliczyć można:
✦Copper– popularny rodzaj filamentu, często oparty na bazie PLA wzbogacony dodatkiem miedzi, umożliwiający polerowanie wydruku. Wypolerowany model doskonale imituje wygląd odlewanej z miedzi bryły.
✦ Iron / magnetic / aluminium – rodzaj filamentu, najczęściej na bazie PLA wzbogacony dodatkiem (w zależności od rodzaju) żelaza, magnezu, lub aluminium. Wydrukowane modele są zauważalnie cięższe dzięki zawartości dodatku, przypominając bryły odlane ze stali.
✦ Wood –filament, najczęściej na bazie PLA z dodatkami wiórków drewna, co pozwala na imitację modeli jak by były to bryły wyciosane z drewna. Modele drukowane z wykorzystaniem drewnianego filamentu zachowują również charakterystyczną drewnianą woń. W zależności od producentów, dostępne są różne odcienie drewnianych filamentów, jak również zdarzają się filamenty, których kolor zmienia się w zależności od aktualnej temperatury druku.
✦ Glow – filament na bazie PLA, posiadający właściwości świecenia w ciemności.
✦ Stone / mineral – filament na bazie PLA pozwalający imitować elementy z kamienia.
✦ Glitter – filamenty tego rodzaju, najczęściej oparte na bazie PLA wzbogacone dodatkami drobinek brokatu, umożliwiają drukowanie modeli o unikalnym wyglądzie. Dużą zaletą filamentów brokatowych jest ich zdolność do doskonałego maskowania niedoskonałości powierzchni modeli.
Jak można zauważyć różne materiały charakteryzują się różnymi cechami i właściwościami. Zbiorcze zestawienie tych parametrów przedstawiono w tabeli poniżej.
Zestawienie głównych cech materiałów do
druku 3D