El ámbito de aplicación de las tecnologías aditivas es amplio: en un polo están las impresoras de escritorio “solo PLA”, para aplicaciones decorativas, en el otro están las plantas de impresión directa de metal, entre ellas se encuentran equipos y materiales en stock. Para comprender qué materiales son necesarios para obtener una pieza duradera y liviana, pasamos de la impresión personal a la impresión industrial. PLA, ABS, SBS: consumibles que son familiares para todas las impresoras. PETG, nylon, policarbonato, bastante exótico. Pero estos están lejos de ser los materiales más serios.
¿Dónde se necesitan los superplásticos?Los plásticos con excelentes propiedades son muy útiles en el espacio. No, todavía no es posible imprimir un motor de cohete de plástico, la estabilidad térmica ni siquiera está cerca, pero será ideal para varias partes. Un ejemplo es Stratasys y el "control climático" de los cohetes Atlas V. 16 piezas impresas en lugar de 140 son más rápidas, más fáciles y más baratas. Y este no es un proyecto teórico, ya ha volado al espacio.
Otro ejemplo es la aviación. La altitud de vuelo es más baja, pero la aplicación es más masiva. Aquí, también, hay una razón para reducir la masa de piezas, cambiar a plástico siempre que sea posible. También se usa en la industria aeronáutica y la impresión directa con metales, cuando se trata de componentes del motor o detalles del marco del fuselaje, pero los elementos estructurales menos cargados, como la ventilación de la cabina y los elementos interiores, están mejor hechos de plástico. Esta dirección está siendo desarrollada, por ejemplo, por Airbus.
Descendemos del cielo a la tierra: aquí la masa ya no es tan crítica, otras propiedades de los plásticos de ingeniería son interesantes. Resistencia a la química agresiva y temperatura elevada, la posibilidad de crear estructuras inaccesibles a los métodos clásicos. Al mismo tiempo, un precio más bajo en comparación con la impresión en metal. Los productos impresos se utilizan en medicina, en la industria del petróleo y el gas y en la industria química. Como ejemplo, un bloque de mezcla con una estructura de canal compleja, hecho para ilustración en la sección.
A diferencia de los plásticos convencionales¿Por qué no lanzar PLA al espacio y hacer rejillas de ventilación ABS? Se aplican varios requisitos a los plásticos de ingeniería relacionados con la resistencia a altas y bajas temperaturas, resistencia al fuego y resistencia mecánica. Como regla, todo a la vez. Por lo tanto, "flotar" al interactuar con el medio ambiente, PLA o quemar ABS perfectamente en el cielo no es deseable de lanzar.
Ahora, a lo que, de hecho, los plásticos se usan en la impresión industrial con tecnología FDM / FFF.
Filamentos de policarbonatoEl policarbonato es un plástico ampliamente utilizado en la industria con alta resistencia al impacto y transparencia, que también se produce para las necesidades de impresión FDM. El material mantiene la temperatura mejor que el ABS, es resistente a los ácidos, pero es sensible a la radiación UV y se destruye por la exposición a productos derivados del petróleo.
Policarbonato puro, PCLa temperatura máxima de funcionamiento de los productos de policarbonato es de 130 ° C. El policarbonato es biológicamente inerte, sus productos resisten la esterilización, esto le permite imprimir envases y accesorios para medicamentos.
ABS / PCLa aleación de policarbonato y ABS combina las capacidades de abrasión y pintura del ABS con una mayor resistencia al impacto y temperatura de funcionamiento. Conserva la resistencia a bajas temperaturas - hasta -50 ° C. A diferencia de la PC pura, es mejor aplicable en casos en los que es necesario eliminar la estructura en capas de la pieza mediante rectificado o arenado. Aplicación: producción de cajas y elementos de control para piezas y producción a pequeña escala, reemplazo de piezas de plástico en serie en equipos para los que ya no se fabrican piezas.
Filamentos de poliamidaLas poliamidas se usan en la fabricación de fibras sintéticas, y son un material popular para la impresión selectiva de sinterización láser (SLS). Para imprimir utilizando la tecnología FDM / FFF, se utilizan principalmente poliamida-6 (nylon), poliamida-66 (nylon) y poliamida-12. Las características comunes de los filamentos a base de poliamida incluyen la inercia química y las propiedades antifricción. La poliamida-12 es más flexible y resistente que PA6 y PA66. Temperatura de funcionamiento - aproximadamente 100 ° C, modificaciones individuales - hasta 120.
En primer lugar, los engranajes están impresos de poliamida. El mejor material para este propósito, con el que puede trabajar en una impresora 3D normal con una cámara cerrada. La resistencia a la abrasión le permite hacer tracción, levas, bujes deslizantes. En la línea de muchos fabricantes hay filamentos compuestos a base de poliamida, con una resistencia mecánica aún mayor.
Pasamos a los mas interesantesPuede trabajar con policarbonato o poliamida en una impresora 3D normal. Los filamentos que se describen a continuación son más complicados, requieren otras extrusoras y mantienen la temperatura en la cámara de trabajo, es decir, se necesita un equipo especial para imprimir con plásticos a alta temperatura. Hay excepciones: por ejemplo, en la NASA, en aras de la experimentación, modernizaron el popular Lulzbot TAZ en los EE. UU. Para trabajar con filamentos de alta temperatura.
Polieterétercetona, PEEKLa temperatura de trabajo de los productos PEEK alcanza los 250 ° C, es posible un calentamiento a corto plazo de hasta 300, indicadores de filamentos reforzados. PEEK tiene dos inconvenientes: alto precio y resistencia al impacto moderada. El resto son ventajas. Plástico autoextinguible, resistente al calor, químicamente inerte. Los equipos e implantes médicos están hechos de PEEK; la resistencia a la abrasión permite imprimir detalles de los mecanismos a partir de ellos.
Polieterimida, PEIEl es Ultem. Una familia de plásticos desarrollada por SABIC. Las características de PEI son más modestas que los indicadores de PEEK, pero el costo es mucho más bajo. Ultem 1010 y 9085 son materiales básicos de Stratasys para imprimir piezas funcionales. PEI tiene demanda en la industria aeroespacial: la masa es mucho menor en comparación con las aleaciones de aluminio. Las temperaturas de trabajo de los productos, dependiendo de la modificación del material, alcanzan 217 ° C según el fabricante y 213 según los resultados de la prueba Stratasys.
PEI tiene las mismas ventajas que PEEK: resistencia química y térmica, resistencia mecánica. Stratasys promueve este material como un reemplazo parcial del metal en la industria aeroespacial, de los drones, la fabricación de herramientas para el moldeo y la impresión rápida de piezas funcionales en la producción piloto.
Los componentes del sistema de enfriamiento de cohetes Atlas V y las piezas de plástico para aviones Airbus, que se muestran como ejemplo al comienzo de la revisión, están hechos de Ultem 9085.
Polifenilsulfona, PPSF / PPSUOtro material que combina en sus propiedades resistencia a la temperatura, resistencia mecánica y resistencia a las influencias químicas. Stratasys PPSF está certificado para aplicaciones aeroespaciales y médicas. Posicionado como materia prima para la producción de dispositivos médicos auxiliares, puede esterilizarse en autoclaves de vapor. Se utiliza en la fabricación de piezas para plantas de laboratorio en la industria química.
PSU de polisulfonaMenos común en comparación con PPSU, tiene características físicas similares, químicamente inerte, autoextinguible. Temperatura de funcionamiento: 175 ° C, hasta un 33% más barato en comparación con PPSU.
Comparación de las características del filamento.* calcinación durante 2 horas a 140 ° C.
** Apium PEEK 450 natural, resultados de pruebas de impacto por métodos similares no están disponibles. Resistencia al calor indicada para PEEK sin relleno.
Los datos son para filamentos Stratasys, con la excepción de PEEK. Si se indica un rango de valores, entonces las pruebas se llevaron a cabo a lo largo y a través de las capas de la pieza.
Sobre filamentos compuestosLa mayoría de los materiales para la impresión FDM tienen versiones compuestas. Si hablamos de PLA, se le agregan polvos de metales o madera para cambiar las propiedades estéticas. Los filamentos de ingeniería están reforzados con fibra de carbono para aumentar la rigidez de la pieza. El efecto de tales aditivos en las propiedades del plástico depende no solo de su cantidad, sino también del tamaño de las fibras. Si el polvo fino puede considerarse un aditivo decorativo, entonces las fibras ya cambian significativamente las características del plástico. La palabra Carbono en el nombre del material en sí no significa propiedades sobresalientes, debe mirar los resultados de la prueba. Por ejemplo: Stratasys Nylon12CF tiene casi el doble de resistencia a la tracción cuando se prueba a lo largo de las capas que Nylon12.
Una opción exótica es la implementación de refuerzo continuo de Markforged. La compañía ofrece
filamentos de refuerzo para la impresión conjunta de FDM con otros plásticos.
Otras propiedades especificasLos plásticos de ingeniería no son solo resistencia a altas temperaturas y resistencia mecánica. Para cajas o cajas para almacenar dispositivos electrónicos, así como en condiciones de trabajo con líquidos volátiles inflamables, se requieren materiales con propiedades antiestáticas. En la línea Stratasys, esto es, por ejemplo, ABS-ESD7.
El ABS convencional no es resistente a la radiación ultravioleta, lo que limita su uso sin una capa protectora al aire libre. Como alternativa, se propone ASA, cuyas características son cercanas al ABS, excepto por la presencia de resistencia a los rayos UV.
Alternativa originalEl plástico puede reemplazar al metal en muchas áreas, ya que lo supera en ligereza, aislamiento térmico y eléctrico, resistencia a los reactivos. Pero las impresiones de los mejores filamentos FDM no están a la altura de los indicadores físicos de los productos metálicos.
El gigante químico BASF ofrece el filamento Ultrafuse 316LX FDM, con una fracción másica de acero inoxidable del 80%. La pieza se imprime en una impresora FDM y luego se coloca en un horno, donde se quema el plástico aglutinante y se sinteriza el metal. La pieza obtenida de esta manera es mucho más barata que la impresión directa hecha de metal. Con una impresora FDM y un horno adecuado, no se necesitará ningún equipo nuevo.
Tenga en cuenta que
Virtual Foundry ofrece una solución similar: su Filamet, con polvo de bronce o cobre, se hornea de la misma manera. La elección del metal sugiere una aplicación decorativa en lugar de una de ingeniería.
AIM3D tiene su propia implementación de este principio: la impresora
ExAM 255 no funciona con filamento, sino con gránulos. Esto le permite utilizar materias primas para la impresión FDM, que generalmente se utiliza en MIM, Moldeo por inyección de metal. Para sinterizar piezas, la empresa ofrece un horno
ExSO 90 . Puede imprimir con gránulos de plástico, que generalmente es más barato que usar un filamento tradicional.
Ingeniería Especial Ingeniería PlásticaPara resumir. En pocas palabras: los consumibles considerados difieren de los materiales convencionales con una temperatura de impresión alta, lo que requiere el uso de equipos especiales y una resistencia al calor y resistencia mecánica graves de las piezas fabricadas. Para trabajar con tales filamentos, se necesitan impresoras 3D con una temperatura de funcionamiento de la extrusora de 350 ° C y una cámara de trabajo termoestabilizada.
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