Röviden a technológiáról

Az FFF vagy FDM nyomtató (a Fused Filament Fabrication és Fused Deposition Modeling rövidítése alapvetően ugyanazt a technológiát jelenti) egy 3D nyomtató, amelyet leggyakrabban a korai koncepciófejlesztésben és prototípus készítésben használnak. Az anyagot (olvadt műanyagot) egy háromtengelyes rendszerben mozogni tudó olvasztófej fuggőleges irányú rétegenként épití egymára, melynek során az összeolvadt felületekből alakul ki a 3D modell. Az alacsony költségek miatt ez a legelterjedtebb 3D nyomtatási technológia.

Nos, a 3D nyomtatási anyagok szilárdsága többféleképpen meghatározható. Néhány közülük a keménységet, az ütésállóságot, a nyomószilárdságot és így tovább. Azonban az erő két legáltalánosabb típusa, amely a legtöbb ember számára fontos, a szakítószilárdság és a hajlítószilárdság. 

Mennyire lehet egy anyagot nyújtani, illetve hajlítani. A következő áttekintésben felsoroljuk a fent említett erőhatásokat (MegaPascal, MPa) nyomást, amelyet az egyes anyagok elviselnek. Számok értéke az erőhatásokkal szemben alapanyag ellenállást mutatja. Az általunk használt számok egy része az Ultimaker anyagok műszaki adatlapjain alapulnak. A más márkáktól származó anyagok eltérőek lehetnek.

Általános alapanyagok:

PLA "politejsav" filamentszál

A PLA vagy politejsav egy rendkívül sokoldalú és népszerű FDM 3D nyomtatási anyag. Népszerűsége abból adódik, hogy egyszerűen nyomtatható, könnyen és alacsony áron érhető el, és többféle színben kapható. Emiatt ez az első számú alapanyag a prototípus és a kísérleti alkatrészek gyártásához. PLA-t általában nem szilárdsági tulajdonságai miatt választják, mivel az anyag rideg. 

PLA tough, kemény filamentszál

A Tough PLA a hagyományos PLA vagy a polilaktsav keményebb változata. Egyesíti a PLA-tól elvárható könnyű nyomtatást, és megszünteti a PLA fő hátrányát, a törékenységét. Emiatt ideális olyan funkcionális prototípusokhoz, amelyeknek szükségük van egy kis rugalmasságra.

ABS "akrilnitril-butadién-sztirol" filamentszál

Az ABS, más néven akrilnitril-butadién-sztirol, egy népszerű hőre lágyuló polimer. Jól ismert ütés-, vegy-, víz- és hőállóságáról. Magas és alacsony hőmérsékleten is kiemelkedő teljesítményt nyújt, ami tökéletessé teszi az autóalkatrészek gyártásához. Az ABS jó elektromos szigetelési tulajdonságokkal is rendelkezik, így jó választás az elektromos alkatrészek házához és burkolatához.

Ezenkívül az ABS viszonylag olcsóbb, mint a legtöbb anyag, és viszonylag könnyen utómunkálható. Ennek eredményeként kiváló anyag a tömeggyártáshoz, és széles körben használják a szokásos termékekben. Az a tény, hogy az ABS egyszerűen utómunkálható, azt is jelenti, hogy ragasztható és festhető. Hasonlóan a PLA alapanyaghoz, az ABS is jó felületi minőséggel nyomtatható, de a kedvezőbb tulajdonságai miatt funkcionális alkatrészeket is készíthetünk belőle.

Az ABS filamentszál tulajdonságai

• Szakítószilárdság: 34-36 MPa
• Hajlítószilárdság: 60-61 MPa

Mérnöki alapanyagok:

Alább felsorolt alapanyagok elsősorban funkcionális és ki szériában gyártott alkatrész alapanyagként szolgálnak.

PC "polikarbonát" filamentszál

A polikarbonát filament (PC) egy merev, hőre lágyuló polimer, amely ellenáll a hőnek és a vegyszereknek. Ez egy nagy szilárdságú anyag, amelyet zord környezetben és műszaki alkalmazásokban való használatra terveztek. Magas üvegesedési hőmérsékletének köszönhetően jó hőelvezetéssel rendelkezik, és jellemzően javított ütésállóságú változatban is kapható.

A polikarbonát filamentszál tulajdonságai

• Szakítószilárdság: 43-65 MPa
• Hajlítószilárdság: 89-114 MPa

PETG "polietilén-tereftalát-glikol" filamentszál

A PETG vagy polietilén-tereftalát-glikol egy hőre lágyuló poliészter, amelyet glikol hozzáadásával kémiailag módosítottak a kristályosodás korlátozása és a szívósság javítása érdekében. A glikol beépítése javítja a PET-et, a tartósságot és a gyártási formálhatóságot biztosít. Erős ütés- és kopásállósággal rendelkezik, és magasabb hőmérsékletet is képes elviselni, mint a PLA. Ugyanolyan megbízható nyomtathatósággal, de fokozott szívóssággal, vegyszerállósággal, kopásállósággal és hőállósággal (75°C-ig) rendelkezik, mint a PLA. Ezért szívesen használják az ipari környezetekben a 3D-nyomtatáshoz a funkcionális prototípusok és a gyártási segédanyagok számára.

Kiváló tulajdonságai és viszonylag alacsony ára miatt a PETG-t rendkívül elterjedt alapanyag. Ez egy jó mérnöki minőségű anyag, amely ABS helyett használható. Ezenkívül kevésbé hajlamos a vetemedésre, ami azt jelenti, hogy könnyebben nyomtathat pontos részeket.

A PETG filamentszál tulajdonságai

• Szakítószilárdság: 38-44 MPa
• Hajlítószilárdság: 75-79 MPa

CPE, CPE+ "kopoliészter" filamentszál

A CPE (kopoliészter) egy vegyszerálló és viszonylag szívós anyag, amelyet széles körben használnak. Ideális választás funkcionális prototípusok és mechanikai alkatrészek 3D nyomtatásához. Ezt az alpanyagot vegyszerállóságra, szívósságra és megbízható méretstabilitásra tervezték,  hasonló a PETg-hez, de ez az anyag fokozott vegyszerállósággal rendelkezik. 

A CPE+ anyaga vegyszerálló, nagy méretstabilitással, a hagyományos CPE-hez képest megnövelt hőállósággal és nagyobb ütésállósággal rendelkezik. CPE+ alapanyag kopásállóbb a hagyományos CPE-anyaghoz képest, így rendkívül szívós és méretstabil funkcionális prototípusok készülnek, amelyek ellenállnak a magas hőmérsékletnek is.

A CPE filamentszál tulajdonságai

• Szakítószilárdság: 41,1 MPa
• Hajlítószilárdság: 79,5 MPa
  

A CPE+ filamentszál tulajdonságai

• Szakítószilárdság: 35,2 MPa
• Hajlítószilárdság: 65 MPa

Nylon szál filamentszál

A 3D nyomtatáshoz használt nejlon általában többféle formában megtalálható: PA6 és PA6/66, amelyek a nylon merevebb változatai, és PA 12, amely a nylon rugalmas típusa. A nejlon hasznos tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek vonzó anyaggá teszik a 3D nyomtatáshoz. A nylon egyszerre erős és tartós, valamint rugalmas. Ez a tulajdonság akkor előnyös, ha vékony falú darabokat nyomtat. Ezenkívül a nylon magas olvadásponttal és nagyon alacsony súrlódási együtthatóval rendelkezik, ami lehetővé teszi, hogy funkcionálisan egymásba kapcsolható elemek, például fogaskerekek nyomtatásához használható.

A nylon, mint 3D nyomtatási anyag egyik fő hátránya, hogy rendkívül higroszkópos, ami azt jelenti, hogy felszívja a nedvességet. Ez megnehezítheti az elvárt teljesítmény elérését nyomtatáskor.

A nejlonszál tulajdonságai:

• Szakítószilárdság: 63-65 MPa
• Hajlítószilárdság: 63-83 MPa

PP, "polipropilén" filamentszál

A polipropilén (PP) egy széles körben használt műanyag, amely szinte minden háztartásban megtalálható. Ez a választott anyag tárolási és csomagolási alkalmazásokhoz, valamint számos hagyományos gyártási formához, például fröccsöntéshez. A PP népszerűsége nagy vegyszerállóságának, hőállóságának, ütésállóságának és rugalmasságának köszönhető.

Tulajdonságai miatt tökéletes olyan alkalmazásokhoz, mint például élelmiszer-csomagolás, kültéri expozíció, vegyszertároló tartályok, és még olyan orvosi alkalmazások is, mint például protézisek.

A polipropilén szál tulajdonságai:

• Szakítószilárdság: 10-12 MPa
• Hajlítószilárdság: 13-15 MPa

ASA, "akrilnitril-sztirol-akrilészter terpolimer" filamentszál

Kiváló UV-stabilitásáról és időjárásállóságáról ismert. Ez a kombináció teszi az ASA-t a legjobb választássá kültéri alkalmazásokhoz. Az ASA Extrafill jó ütésállóságot és alacsony nedvszívó képességet képvisel. Igényes körülmények között is nagy méretstabilitással rendelkezik. Az ASA merevsége nagyobb, mint az ABS, így alkalmas igényes alkalmazásra, szerszámgyártásra, de akár mindennapi használati áruk gyártására is. Az ASA Extrafill újrahasznosítható.

Az ASA szál tulajdonságai:

• Szakítószilárdság: 30-40 MPa
• Hajlítószilárdság: 75 MPa

Rugalmas, felxibilis alapanyagok:

TPE a "termoplasztikus elasztomer" filamentszál 

Kemény műanyag és puha gumi keveréke, így hőre lágyuló és rugalmas tulajdonságokkal is rendelkezik. A TPE rugalmas anyagok széles skáláját takarja, beleértve a hőre lágyuló poliuretánt (TPU), a hőre lágyuló kopoliésztert (TCP), a hőre lágyuló poliamidot (TPA).

Az egyéb különbségek közé tartozik, hogy a TPU nyomat nehezebb lesz, mivel a TPU sűrűbb, mint a többi TPE. A TPU felülete is sima, míg a TPE-k általában gumisabb textúrájúak. A TPU jobban ellenáll a kopásnak, mint a legtöbb TPE, és a TPU kevésbé zsugorodik, mint a többi TPE.

Az TPE szál tulajdonságai:

• Szakítószilárdság: 5 MPa
• Hajlítószilárdság: 7 MPa

TPU a "termoplasztikus poliuretán" filamentszál 

TPU (termoplasztikus poliuretán) rugalmas anyag, így ideális olyan alkalmazásokhoz, amelyek vegyszerállóságot, valamint a gumi és a műanyag minőségét követelik meg. 

A TPE izzószálhoz képest a TPU izzószál nagyobb merevséget mutat, ami nem tévesztendő össze a keménységgel. A merevség az anyag hajlítási képességét méri, jelezve az anyag hajlamát arra, hogy erőhatás után visszatér eredeti formájába.

Tulajdonságaik:

• Kivételes kopásállóság
• Gumiszerű rugalmasság
• Kiváló választás ipari bevonatokhoz vagy fogyasztói termékek prototípus-készítéséhe

Az TPU szál tulajdonságai:

• Szakítószilárdság: 8-10 MPa
• Hajlítószilárdság: 4,3 MPa

HIPS filamentszál

Polisztirol műanyag és polibutadién gumi anyagkeveréke. A HIPS nagyon hasonlít az ABS-hez, de ahogy a neve is sugallja, sokkal nagyobb ütközési erőket képes ellenállni. Könnyen festhető, megmunkálható, és számos ragasztóval működik. Ezenkívül élelmiszer-biztonságos, mivel az élelmiszer-feldolgozási alkalmazásokhoz FDA-kompatibilis.

A 3D nyomtatás világában a HIPS-t leginkább hordozóanyagként használják, mivel a limonén oldatban oldódik, így nincs szükség csiszolóanyagokkal, vágószerszámokkal vagy bármilyen más olyan dologgal történő eltávolításra, amely miatt a nyomat nem marad tökéletes. A limonén egy citromhéjból készült oldat, és könnyen beszerezhető. Ez a megoldás azonban potenciálisan károsíthatja az ABS-től eltérő 3D nyomtatási anyagokat.

Ez az egyik oka annak, hogy a HIPS a legjobban párosítható az ABS-szel. A másik ok, hogy a nyomtatási hőmérséklet-tartomány nagyon hasonló ezen anyagok között, ami megkönnyíti a kétanyagú 3D nyomtatás nehéz feladatát.

A HIPS és az ABS egy meglehetősen sajnálatos tulajdonsága, hogy melegítés közben mérgező füstöket bocsát ki. Nyomtatás közben a HIPS kis mennyiségű sztirolt bocsát ki a légkörbe, ezért erősen ajánlott, hogy a nyomtatót jól szellőző helyen helyezze el, ha ezt az anyagot használja.

PVA polivinil-alkohol, vízben oldódó polimer filamentszál

Nem tévesztendő össze a PVAc-vel vagy a polivinil-acetáttal, amely vízben oldódó fehér ragasztó. A PVA színtelen, szagtalan szintetikus polimer, jelentős biokompatibilitási tulajdonságokkal. Alacsony toxicitású, ezért használható egészségügyi termékekben, például kontaktlencse-oldatban, és biológiailag is meglehetősen lebomlik.

A 3D nyomtatásban a PVA népszerű hordozóanyagként, mert vízben oldódik. Ez azt jelenti, hogy nem a legegyszerűbb anyag. Ezért ebben a cikkben részletesen megvizsgáljuk, hogy mitől olyan különleges a PVA, és hogyan kell használni, mielőtt áttekintenénk számos nagyszerű lehetőséget!

Hi-tech műanyag alapanyagok

Az itt felsorolt alapanyagok legjellemzőbb tulajdonságaik, hogy kiemelkedő magas hő-, vegyi- és kopásállósággal rendelkeznek és csak speciális ipari 3D nyomtatókkal lehet használni. Ennek legfőbb oka, magas nyomtatási hőmérséklet. Extruder hőmérséklet tartománya 450-500°C. 

PEEK (poliéter-éterketon) filamntszál

Az egyik legnépszerűbb hőre lágyuló műanyag a gyártásban, és ennek jó oka van. A PEEK a rozsdamentes acélnál és alumíniumnál erősebb és könnyebb alkatrészeket tud előállítani, rendkívül magas hő-, vegyi- és kopásállósággal. Ebből a mérnöki minőségű anyagból készült alkatrészek gyakorlatilag minden iparágban megtalálhatók.

A PEEK-et használják a fémnél jobb orvosi implantátumok és repülőgép-alkatrészek alapanyagént, mivel nagy szilárdság-tömeg aránya van, egyszóval könnyű és erős. Elektromos szigetelési tulajdonságai miatt ideális az elektrotechnika alkatrészekhez, és széles körben használják olyan alkalmazásokban, amelyek hosszú távú nyomás- és kopásállóságot igényelnek, például az olaj- és gáziparban.

A PEEK még mindig a legdrágább adalékanyag-gyártási polimerek közé tartozik (de olcsóbb, mint a legtöbb fém), és nem a legkönnyebb vele dolgozni, ma sokkal hozzáférhetőbb, mint valaha. 

Az PEEK szál tulajdonságai:

• Szakítószilárdság: 99.9 MPa
• Hajlítószilárdság: 147 MPa

PEEK ultra polimer, "szuperpolimer" filamentszál

A PEEK, akárcsak a PEI (ULTEM) és a PEKK, egy nagy teljesítményű polimer (más néven "ultra polimer", néha "szuperpolimer"), amely képes megőrizni mechanikai tulajdonságait kihívást jelentő környezetben. Folyamatos használati hőmérséklete (CUT) meghaladhatja a 250°C-ot, és a salétromsav és a kénsav kivételével szinte minden vegyszernek ellenáll. Évtizedek óta ezt a nagy teljesítményű hőre lágyuló műanyagot olyan igényes iparágakban használják, mint a repülőgépipar, az olaj- és gázipar stb.

A PEKK rendkívül sokoldalú: egyesíti a vegyszerállóságot, az égésgátló tulajdonságokat és a mechanikai tulajdonságokat, amelyek az összes ismert hőre lágyuló anyag közül az egyik legjobbak. A kristályosodási sebesség valamivel lassabb, mint a PEEK, ami sokkal könnyebben szabályozható, és jobb rétegtapadáshoz vezethet. A fokozott rétegtapadásnak köszönhetően a PEKK még nagyobb szakítószilárdságot érhet el, mint a PEEK. Ezt az anyagot kivételes tulajdonságai miatt gyakran használják fémpótlóként, ez az anyag a nagy teljesítményű polimerek egyik legjobb példája. PEKK rendkívül érzékeny a nedvességre, ezért a tárolására figyelni kell. 

Az PEKK szál tulajdonságai:

• Szakítószilárdság: 105 MPa
• Hajlítószilárdság: 134 MPa

PEI poliéterimidgtól filament szál 

A PEI a Polyether Imide rövidítése, egy polimer, amelyet először Joseph Wirth, a GE műanyag részlegének munkatársa fejlesztett ki az 1980-as évek elején. Jellegzetes félig átlátszó borostyán színű amorf műanyag. Elsősorban nagy mechanikai szilárdsága, stabil elektronikus tulajdonságai és kiváló kémiai stabilitása miatt használják.

A PEEK (poliéter-éter-keton) mellett a PEI a PAEK (poliaril-éter-keton) kémiai csoportjába tartozó műanyagok egyike. A PAEK műanyagok kivételes mechanikai szilárdságuk és magas hőmérsékleti körülmények között való stabilitásuk miatt kívánatosak.  A 3D nyomtatásban a PAEK műanyagok is biztonságos választás, mert hevítéskor nem bocsátanak ki mérgező gőzöket.

Napjainkban a piacon gyakorlatilag az összes PEI filamentet ULTEM márkanév alatt gyártja a SABIC cég, amely 2007-ben megvásárolta a GE műanyag részlegét. A márka nagy előrelépést tett a termék és alkalmazásai fejlesztésében, ami a 3D nyomtatóval kompatibilis ULTEM 9085-ben csúcsosodott ki. űrrepülési tanúsítvány megszerzése a polgári repülőgépek funkcionális alkatrészeiben való felhasználásra.

Az ULTEM 9085 nagyteljesítményű égésgátló, hőre lágyuló poliéterimid keverék. Magas szilárdsági és súlyaránya, valamint FST besorolása (láng, füst és mérgező hatás) által ideális a szállítási / autóipar számára. Az egyedüálló anyag minősítései által kiváló a kereskedelmi szállítóipar számára. Az ULTEM 9085 megfelel a repülőgépipar szigorú követelményeinek is.

Az PEI szál tulajdonságai:

• Szakítószilárdság: 56-86 MPa
• Hajlítószilárdság: 110-116 MPa

Fent bemutatott alapanyagok a teljesség igénye nélkül lettek összeállítva. Műanyag és az additív technológia folyamatos fejlődésének köszönhetően az alapanyaggyártók rendkívül nagy választékban és sokrétű tulajdonságokkal kínálják 3D alapanyagokat, az úgy nevezett filamenteket. 

A legjobb beállítások terhelést viselő alkatrészek nyomtatásához

Nem lenne nagyszerű, ha erősebb részeket nyomtathatna a használt anyag megváltoztatása nélkül? Szerencsére lehetséges. A kulcs a beállítások optimalizálása. Ahhoz, hogy a legtöbbet hozza ki nyomtatójából és anyagából, nemcsak az egyes anyagokhoz, hanem az egyes alkatrészekhez is testre kell szabnia a használt beállításokat.

Az alábbiakban felsorolunk néhányat a legjobb beállítások közül, amelyeket módosítani kell a alkatrész megerősítése érdekében:

Kitöltés típusa és sűrűsége: A kitöltés típusa és sűrűsége fontos tényező a nyomtatott rész szilárdságában. Minél nagyobb a kitöltési sűrűség, annál nagyobb a szilárdság. A nagy kitöltési sűrűség azonban általában nem javasolt, mivel sok anyagot használ fel, és több időt vesz igénybe a nyomtatás. Az alkatrész szilárdságának növelése érdekében a sűrűség növelése nélkül a kitöltési mintát is módosíthatja az alkatrész funkcionalitásától függően. Például a nyomószilárdsági tesztekben a háromszög/rács kitöltés nagyobb nyomószilárdságot mutat, mint a köbös és giroid kitöltési minták.

A legtöbb vizuális nyomatnál használhat 20 százalék körüli kitöltést, de erősebb részek esetén próbálja meg az 50 százalék feletti kitöltést. Egy másik lehetőség a módosító hálók használata, hogy szelektíven nagyobb kitöltési sűrűséget generáljunk azokon a területeken, ahol a legnagyobb a feszültség.

Alkatrésztájolás: Előfordulhat, hogy az alkatrésztájolás nem szerepel az erősebb nyomat érdekében végzett lépések ellenőrzőlistáján, de alapvető fontosságú. A szakítószilárdság gyengébb a Z-tengely mentén a 3D nyomtatásban (általában a szilárdság 40-70%-a az XY-tengelyhez képest), különösen a magas és vékony nyomtatott részeken. Ennek eredményeként gondosan kell beállítani az alkatrészt, hogy megfeleljen a szükséges szilárdsági tengelynek. Ennek során figyelembe kell vennie a tartószerkezetet is, és meg kell találni az egyensúlyt az alapján, ami az adott részben a legfontosabb.

Héjvastagság: Az alkatrész külső felületének vastagságát héjvastagságnak nevezzük. Általánosságban elmondható, hogy minél vastagabb a héj, annál erősebb az alkatrész. Ez alapján eldöntheti, hogy milyen héjvastagságra van szüksége az alkatrészéhez. A rétegvastagság duplája vastagságú héj általában jó kiindulópont.

Utófeldolgozás erősebb alkatrészekhez

A munka nem fejeződik be, ha egy részt kinyomtattak. Egy kis többletmunkával növelheti a nyomtatott alkatrész szilárdságát.

Lágyítás: A félkristályos anyagok, mint a nylon, PET, PEEK és a PLA egyes formái lágyíthatók. Ez egy hőkezelés, ahol az anyag teljesen átalakul kristályos állapotába, így merevebb és erősebb alkatrészt kap.

készült: 2022.07. 15.

frissítve: 2022.08.28.

Cikk forrása egy részben: https://ultimaker.com/learn/strongest-3d-printing-material