Печать нейлоном в 3D: материалы, процессы, применение и ошибки, которые дорого вам обойдутся
Детали из нейлона PA12: шестерни, рама дрона, корпус с защелками, «живой» шарнир и решетчатый кронштейн.
Спросите любое бюро прототипирования, какой полимер является основой их производства, и ответ почти всегда будет одинаковым: нейлон. Спустя почти девяносто лет после того, как Уоллес Каротерс синтезировал нейлон-6.6 в компании DuPont в 1935 году, полиамиды стали стандартным конструкционным материалом как для порошковой 3D-печати, так и для печати нитью — прочным, но гибким, износостойким, химически стойким и легко поддающимся окраске, нанесению покрытий или механической обработке после печати.
Но фраза “просто напечатай это из нейлона” скрывает множество решений. PA6, PA11 или PA12? Нить или порошок? SLS или Multi Jet Fusion? И почему так много первых попыток заканчиваются деформированными, покрытыми нитями деталями, испорченными влагой? В этом руководстве тема разбита на четыре действительно важных вопроса.
1. Материалы: PA6 против PA11 против PA12
Марки нейлона названы в честь атомов углерода в их молекулярной цепи, и небольшие различия в химии оборачиваются большими различиями на печатной платформе.
PA6 — это классический нейлоновый филамент для печати по технологии FDM/FFF. По механическим характеристикам он близок к ABS, но обладает гораздо лучшей ударопрочностью и износостойкостью — это настоящая альтернатива поликарбонату, которая проще в печати. Типичная цена на нить составляет $20–40 за катушку весом 500 г, а для вариантов, армированных углеродным или стекловолокном, она достигает $60–150.
PA12 является основным типом порошка для технологий SLS и MJF, и на то есть веские причины: высокая жесткость и прочность на разрыв (~48–50 МПа в технологии MJF), отличная стабильность размеров, низкое поглощение влаги и более низкая температура плавления (~175–180 °C), что упрощает и удешевляет его обработку. Материал прекрасно поддается последующей обработке — окрашиванию, лакированию, обработке в барабанной машине. Это стандартный выбор для изготовления деталей серийного производства.
PA11 отличается всего одним атомом углерода, но получается из совершенно другого источника: касторового масла — возобновляемого биосырья (PA11 Rilsan компании Arkema производится с 1950-х годов). Он обладает чуть меньшей жесткостью, но за счёт этого демонстрирует заметно более высокую пластичность, ударопрочность и устойчивость к УФ-излучению и термическому воздействию — это лучший выбор для соединений с защелкиванием, гибких шарниров и деталей, подвергающихся многократному изгибу. Недостатки: он впитывает больше влаги, чем PA12, плавится при более высокой температуре (~200 °C) и требует инертной атмосферы печати для предотвращения окисления.
Набор материалов дополняют наполненные и специальные марки: PA12 с углеродным волокном 30% обеспечивает прочность на разрыв около 88 МПа для сверхжестких каркасов дронов; стеклонаполненные варианты выдерживают температуру тепловой деформации выше 180 °C, что позволяет использовать их в автомобильных деталях, расположенных под капотом; огнестойкие нейлоны класса UL94 V-0 используются в корпусах электромобилей и электронных устройств; а биосовместимый PA12 класса USP VI применяется в хирургических шаблонах. Ожидается, что цена на порошок будет находиться в диапазоне $50–100/кг в зависимости от состава.
2. Технологии: FDM, SLS и MJF
Лазер осуществляет спекание нового слоя порошка нейлона PA12 внутри камеры печати SLS.
FDM/FFF (филамент). Доступный способ. Печать нейлоновым филаментом осуществляется при температуре сопла 220–250 °C и температуре подогреваемого стола около 80 °C — это обязательное условие, поскольку без этого адгезия нейлона к столу, как известно, крайне низкая. Закрытая камера значительно облегчает процесс. Нейлон, напечатанный по технологии FDM, идеально подходит для изготовления приспособлений, кронштейнов и изнашиваемых деталей, хотя видимые линии слоев ограничивают возможность печати мелких деталей и прочность по оси Z.
SLS (селективное лазерное спекание). Лазер спекает порошок PA12/PA11 слой за слоем — опоры не требуются, поскольку неспеченный порошок служит опорой для детали. Преимущества: сложные геометрические формы, печать взаимосвязанных узлов на месте и практически изотропная прочность (PA12, полученный методом SLS, демонстрирует изотропность на уровне примерно 97–98%, а прочность на разрыв по оси Z составляет около 42 МПа, тогда как некоторые процессы FDM обеспечивают лишь небольшую часть этого показателя). Обычно около 50% неспеченного порошка можно обновить и повторно использовать.
MJF (Multi Jet Fusion). В рамках этой технологии HP с помощью струй наносит на порошковую подушку связующие и детализирующие вещества, а затем осуществляет спекание с помощью инфракрасного излучения — быстрее, чем при SLS, с более гладкими поверхностями и более высоким коэффициентом повторного использования порошка, составляющим около 70%, что напрямую снижает себестоимость одной детали. Для серийного производства функциональных деталей из нейлона технология MJF стала лидером отрасли по производительности: за один цикл можно разместить сотни деталей по всему объему печати.
3. Области применения: где печать на нейлоне находит свое место
Постобработка: струйная обработка бисером, сбор порошка и окрашивание свеженапечатанных нейлоновых деталей.
- Автомобилестроение и мобильность: детали, устойчивые к трению и деформации, компоненты впускного тракта, кронштейны и зажимы — нейлон, армированный стекловолокном, позволяет снизить вес таких деталей, как впускные коллекторы, примерно на 40%.
- Шестерни, петли и механизмы: Благодаря низкому коэффициенту трения и износостойкости нейлон идеально подходит для изготовления зубчатых колес и конструкций с защелкивающимися соединениями; PA11 — лучший выбор для изготовления гибких шарниров.
- Контакт с лекарственными препаратами и кожей: Биосовместимые марки материала позволяют изготавливать протезы, ортопедические изделия и хирургические шаблоны с точностью до долей миллиметра.
- Детали для потребительского и промышленного конечного использования: неабразивные поверхности, пригодные для окрашивания, подходят для интерьеров с высокой интенсивностью использования, корпусов электроинструментов и мелкосерийного производства, полностью заменяющего литье под давлением.
Экономические факторы также играют свою роль: технология наслоения на порошковой подушке в сочетании с высокой частотой обновления позволили радикально снизить реальную себестоимость деталей — задокументированные примеры показывают, что себестоимость одной детали снижается на 80% при переходе на автоматизированные технологические процессы с рециркуляцией порошка.
4. Руководство по ловушкам: Семь ошибок, которых следует избегать
1. Печать с использованием влажного филамента. Нейлон обладает высокой гигроскопичностью — катушка, оставленная на ночь на открытом воздухе, может впитать столько влаги, что это приведет к образованию нитей, пузырьков и слабых слоев. Сушите при температуре 70–80 °C в течение 4–6 часов и печатайте из герметичной сушильной камеры. Эта единственная ошибка портит больше печатных изделий из нейлона, чем все остальные вместе взятые.
2. Отказ от использования подогреваемого стола и кожуха при печати по технологии FDM. Без подогрева стола примерно до 80 °C (плюс клей-карандаш или поверхность из текстолита) и термокамеры коробление и растрескивание слоев практически неизбежны.
3. Выбор материала PA12 в тех случаях, когда деталь должна изгибаться. В случае защелкивающихся соединений и гибких шарниров более высокие показатели предела текучести и пластичности материала PA11 обеспечивают значительный запас прочности. PA12 отличается повышенной жесткостью — выбирайте его для обеспечения стабильности размеров, а не для многократного изгиба.
4. Ожидание от печатных шарниров такого же срока службы, как у литых. «Живые» шарниры, изготовленные методом печатного слоевания с использованием порошкового слоя, выдерживают десятки циклов (обычно ~30–50), а не тысячи. Толщина шарнира должна составлять примерно 0,3–0,8 мм (для материала MJF PA12 оптимальна толщина 0,5 мм), при печати следует располагать слои поперек ширины шарнира, а перед первым использованием рекомендуется провести горячую разгибку шарнира.
5. Несоблюдение коэффициентов обновления порошка. Указание цен на детали SLS/MJF без учета требуемого процентного содержания первичного порошка приводит к завышению реальной себестоимости одной детали. Перед расчетом стоимости заказа необходимо узнать частоту обновления вашего оборудования.
6. Забывание о смещении влаги после печати. Даже PA12 со временем впитывает атмосферную влагу, а PA11 — в ещё большей степени: под воздействием влажности детали могут изменяться в размерах и механических характеристиках. При использовании в условиях высокой влажности необходимо соответствующим образом адаптировать детали и допуски.
7. Перегрев PA11 в воздухе. Более высокая температура обработки PA11 делает окисление реальной угрозой; инертная атмосфера позволяет сохранить как свойства детали, так и возможность повторного использования порошка.
Суть дела
Нейлон завоевал своё место в аддитивном производстве старым добрым способом: благодаря созданию функциональных деталей, выдерживающих реальные условия эксплуатации. Выбирайте нить PA6 для прочных деталей, напечатанных на настольных принтерах, порошок PA12 — для жёстких, точных компонентов производственного уровня, а PA11 — когда конструкция должна изгибаться, не ломаясь. Учитывайте влажность и скорость обновления, и нейлон незаметно превзойдёт по своим характеристикам практически все остальные материалы, представленные на рынке.
