PL | EN
Przegląd polimerów stosowanych do produkcji filamentów do drukarek 3D.

Przegląd polimerów stosowanych do produkcji filamentów do drukarek 3D.

Wytłaczanie topionego włókna polimerowego (filamentu) to jeden z najpopularniejszych procesów wytwarzania przyrostowego, który wykorzystuje polimery termoplastyczne do wytwarzania produktów o trójwymiarowej geometrii (druk 3D).

Materiały stosowane do produkcji filamentów odgrywają znaczącą rolę w określaniu właściwości mechanicznych i chemicznych wytwarzanej końcowej części. To właściwości mechaniczne, przewodność cieplna i przewodność elektryczna, odporność na rozpuszczalniki itp.

Do tej pory opracowano wiele różnych rodzajów materiałów filamentowych. Materiały filamentowe obejmują zarówno czyste tworzywa termoplastyczne, jak i kompozyty, biotworzywa i kompozyty bioplastików. Różne rodzaje wzmocnień (wypełnień), takie jak cząstki, włókna i nanocząsteczki, są wprowadzane do matrycy włókien kompozytowych, aby poprawić właściwości drukowanej części konstrukcyjnej.

Przegląd materiałów polimerowych stosowanych do produkcji topionych włókien filamentowych.


Procesy wytwarzania przyrostowego (druk 3D) mogą wytwarzać części z różnych materiałów, takich jak metale, ceramika, kompozyty i tworzywa termoplastyczne, do zastosowań w różnych dziedzinach, w tym w lotnictwie, motoryzacji i opiece zdrowotnej. Unikalne cechy procesów przyrostowego druku 3D w porównaniu z konwencjonalnymi procesami produkcyjnymi polegają na tym, że lżejsze części można uzyskać poprzez dostosowanie gęstości wypełnienia, a produkcję części o złożonej geometrii można wytwarzać bez kosztownych narzędzi. Część o złożonym kształcie może zostać wyprodukowana z modelu 3D projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) na dowolnej drukarce 3D.

Zmniejsza to wymagania dotyczące obróbki i wykorzystanie przestrzeni, ponieważ procesy druku 3D (AM) nie wymagają przyrządów, uchwytów, narzędzi i form. Nie wymagają stosowania procesów takich jak frezowanie, formowanie wtryskowe, wiercenie lub przeciąganie. Ponadto w druku 3D zmniejszono liczbę czynności niegenerujących wartości dodanej, takich jak ładowanie przedmiotu obrabianego i wymiana narzędzi podczas operacji produkcyjnych. Odpady produkcyjne, takie jak wióry materiałowe, są minimalizowane w procesach druku 3D. Z drugiej strony procesy AM mogą generować inne odpady materiałowe, takie jak materiały pomocnicze i luźne nie zużyte proszki.

Potencjał procesów druku 3D jest zdumiewający Najczęściej procesy AM wytwarzają obiekty z modeli CAD poprzez nakładanie warstw na warstwy. W porównaniu z właściwościami, które można osiągnąć w komercyjnych procesach produkcyjnych, części wytwarzane w procesach AM często nie spełniają niektórych wymagań funkcjonalnych (właściwości mechaniczne, termiczne i elektryczne, stabilność termiczna, dokładność wymiarowa, jakość powierzchni lub nośność wieloosiowa).

Dostępność odpowiednich surowców do procesów druku 3D jest kluczowym czynnikiem, który utrudnia stosowanie procesów AM na dużą skalę. W większości procesów AM można stosować tylko niektóre typy i formy materiałów. Metale, polimery, ceramika i kompozyty są często wykorzystywane jako surowce w procesach AM. Surowce do  druku AM istnieją również w różnych postaciach, takich jak proszek, arkusz, płyn i włókna. Wśród surowców AM polimery termoplastyczne są najczęściej stosowanym matriałem.

Jako jeden z najbardziej znanych procesów druku 3D, proces FFF (Fused Filament Fabrication) wykorzystuje tworzywa termoplastyczne w postaci filamentów do produkcji prototypów i części funkcjonalnych.

Optymalizacja parametrów procesu jest jednym z najpopularniejszych obszarów badawczych w rozwoju druku FFF. Jednak właściwości części wydrukowanej można poprawić tylko do pewnego stopnia, określając optymalną kombinację parametrów procesu poprzez analizę parametrów procesu. Dzieje się tak dlatego, że czyste materiały termoplastyczne stosowane w procesie FFF (Fused Filament Fabrication) mają również nieodłączne granice właściwości materiału, których nie można przekroczyć. Innym ograniczeniem analizy parametrów procesu jest to, że optymalna kombinacja parametrów procesu nie jest uogólniona dla wszystkich materiałów filamentowych, drukowanych kształtów lub stosowanych drukarek. Optymalna kombinacja parametrów procesu dla właściwości części z jednego filamentu może nie być optymalna dla innych właściwości części lub innych materiałów filamentowych. W tym celu sama analiza parametrów procesu nie wystarcza do spełnienia wszystkich wymagań funkcjonalnych wielu aplikacji.

Wraz z postępem w analizie parametrów procesu druku 3D, kluczowe znaczenie ma ciągłe poszukiwanie nowych materiałów filamentowych, które można wykorzystać do produkcji wysokiej jakości części w celu rozszerzenia obszarów zastosowań. Oprócz czystych tworzyw termoplastycznych jako materiałów na filamenty, realną opcją dla producentów włókien mogą być materiały kompozytowe, w szczególności kompozyty z matrycą polimerową. Naukowcy, eksperci przemysłowi oraz producenci filamentów prowadzą badania w celu opracowania nowych materiałów kompozytowych do wytwarzania filamentów poprzez mieszanie różnych wzmocnień, takich jak cząstki, nanocząsteczki i włókna, z tworzywami termoplastycznymi. Materiały kompozytowe przyciągają uwagę naukowców i producentów zajmujących się filamentami ze względu na ich unikalne właściwości i niski koszt wytwarzania.

Podczas opracowywania włókien kompozytowych należy wziąć pod uwagę kilka ważnych czynników. Materiały na filamenty FFF (Fused Filament Fabrication) muszą spełniać kilka specyficznych wymagań takich jak: temperatura zeszklenia, plastyczność, temperatura topnienia, lepkość, krystaliczność i elastyczność, aby móc drukować części w procesie FFF. Ponadto adhezja między polimerem a zbrojeniem (wypełnieniem) jest kolejnym kluczowym czynnikiem wpływającym na właściwości kompozytu. Wybór kombinacji matrycy i wzmocnienia ma zasadnicze znaczenie w opracowywaniu filamentów. Właściwości drukowanych części kompozytowych zależą od wiązania osnowy ze zbrojeniem oraz zawartości pustych przestrzeni w kompozytach. Ponieważ wykorzystanie procesu druku FFF (Fused Filament Fabrication) będzie rosło w przyszłości, rozwój nowych materiałów kompozytowych powinien również koncentrować się na wpływie kompozytowych części konstrukcyjnych na środowisko.

W przypadku włókien kompozytowych, matryca polimerowa i wzmocnienia lub jedno i drugie mogą być syntetyczne lub naturalne. Przyjazne dla środowiska włókna kompozytowe można wytwarzać przy użyciu naturalnych wzmocnień z biodegradowalnymi polimerowymi materiałami matrycowymi.

Omówienie wytwarzania części ze topionego filamentu w druku 3D.

W procesie druku 3D z topionego filamentu (FFF) trójwymiarowa (3D) część geometryczna jest wytwarzana z modelu cyfrowego (CAD). Proces druku FFF zazwyczaj obejmuje stapianie filamentu w głowicy drukarki 3D przed osadzeniem na platformie roboczej przez dyszę drukarki.

Podstawy procesu druku FFF (Fused Filament Fabrication).

Model cyfrowy części przeznaczonej do druku (CAD) jest konwertowany do formatu nadającego się do odczytu maszynowego. Kolejnym krokiem jest tzw. krojenie. Na tym etapie model 3D jest dzielony na wiele warstw. Podczas drukowania model 3D jest budowany przez nakładanie warstwa po warstwie stopionego tworzywa. G-kod dla każdej warstwy jest językiem programowania przeznaczonym do sterowania ruchem głowicy drukarki 3D FFF (Fused Filament Fabrication) w płaszczyźnie XY. Większość komercyjnych drukarek 3D FFF ma oprogramowanie do krojenia i generowania kodu G. W takim przypadku plik STL jest bezpośrednio ładowany do oprogramowania drukarki 3D FFF. Następnie definiowane są wartości różnych parametrów procesu druku FFF, takie jak prędkość drukowania, orientacja konstrukcji i gęstość wypełnienia, wysokość warstwy, ten etap jest znany jako konfiguracja drukarki 3D.

W przypadku większości drukarek 3D  typu FFF podczas drukowania ekstruder (głowica drukarki) porusza się w płaszczyźnie poziomej zgodnie z wcześniej wygenerowaną ścieżką głowicy do nanoszenia warstwy. Po wydrukowaniu warstwy platforma robocza przesuwa się w dół w kierunku Z. Następna warstwa jest nakładana na ostatnie warstwy i proces powtarza się, aż do zakończenia produkcji części. Wytrzymałość budowanej części zależy od połączenia dwóch kolejnych warstw. Wymagana jest wystarczająca ilość energii cieplnej, aby aktywować powierzchnię poprzednio osadzonej warstwy i spowodować adhezję między aktywowaną powierzchnią a nowo osadzaną warstwą polimeru.
Parametry procesu druku FFF mają znaczący wpływ na właściwości części, takie jak chropowatość powierzchni, dokładność wymiarowa i właściwości mechaniczne. Ogólnie rzecz biorąc, tworzywa termoplastyczne i ich kompozyty są używane jako materiały filamentowe do produkcji części. Naukowcy wciąż pracują nad opracowaniem nowych materiałów na filamenty w celu poprawy właściwości drukowanych części.

Druk 3D zastosowania w medycynie.

W ostatnich latach pojawiło się wiele możliwości zastosowania procesów druku 3D AM w medycynie. W medycynie zapotrzebowanie na opracowywanie produktów dostosowanych do indywidualnych potrzeb jest duże, ponieważ każdy pacjent wymaga unikalnych implantów, narzędzi (np. prowadnic do wiercenia), prowadnic pomocniczych i protez. Procesy AM są odpowiednie do wytwarzania jednostkowych niestandardowych produktów z wysoką wydajnością i dokładnością przy niskich kosztach. Modele medyczne, implanty, narzędzia i instrumenty do urządzeń medycznych, pomoce medyczne, prowadnice podtrzymujące, szyny, protezy i inżynieria tkankowa to obszary zastosowań procesów druku AM w medycynie. Ogólnie rzecz biorąc, tomografia komputerowa lub inne techniki skanowania obrazu 3D są wykorzystywane do uchwycenia anatomii pacjenta na potrzeby rusztowań i implantów. Zbiory danych  można wykorzystać do opracowania modelu 3D, który procesy AM wykorzystują do drukowania modeli 3D.

W dziedzinach medycznych wymagana jest wysoka dokładność i jakość produktu. Poza bezpieczeństwem pacjentów, wymagania dotyczące biologicznej zgodności i porowatej struktury są istotnymi czynnikami przy wyborze procesów i materiałów  do druku AM. Proces druku 3D jest szeroko stosowany w zastosowaniach medycznych i dentystycznych. Wraz z dziedzinami medycyny zastosowania procesu druku 3D  w samochodach i lotnictwie rosną ze względu na niskie koszty, złożoną produkcję części i niestandardowe jednostkowe projekty.

Oprócz wyżej wymienionych zastosowań, proces druku 3D jest stosowany w różnych rzeczywistych zastosowaniach. Unikalną cechą procesu FFF jest drukowanie złożonych części, kontrolowanie ciężaru poprzez dostosowanie gęstości wypełnienia, zmniejszenie kosztów montażu, zwiększenie wytrzymałości poprzez wybór struktury wypełnienia oraz zwiększenie dokładności wymiarowej.

Proces FFF przyciąga naukowców i ludzi przemysłu ze względu na te wymienione cechy. Zastosowania procesu druku 3D w różnych dziedzinach można przyspieszyć, zwiększając dostępność materiałów filamentowych o szerokim zakresie właściwości.

Filamenty do druku 3D wytwarzane z czystych tworzyw termoplastycznych.

Wiele tworzyw termoplastycznych jest dostępnych w postaci filamentu do procesu druku 3D. W procesie wytwarzania filamentu surowce (tworzywa termoplastyczne i kompozyty) w postaci granulatów lub peletek są podawane do wytłaczarki. Tworzywa miękną w strefie zasilania, plastyfikują w strefie przejściowej i całkowicie topią się w strefie dozowania wytłaczarki. Temperatury w różnych strefach układu uplastyczniającego wytłaczarki są wybierane na podstawie właściwości wytłaczanych tworzyw sztucznych. Stopione surowce są wytłaczane przez matrycę ze strefy dozowania. Średnica matrycy dobierana jest na podstawie wymaganych średnic filamentu. Zwykle do filamentów 1,75 mm stosuje się matrycę o średnicy 2,5–3,5 mm. Po przejściu przez matrycę wytłaczane materiały przechodzą przez strefę chłodzenia. Na jakość filamentu istotny wpływ ma wiele parametrów procesu wytłaczania filamentu.

Tworzywa termoplastyczne mają różne właściwości, a wybór materiału filamentowego do procesu druku FFF jest generalnie oparty na zastosowaniu lub innych wymaganiach dotyczących drukowanych części konstrukcyjnych. Najbardziej znanymi i stosowanymi materiałami filamentowymi są akrylonitryl-butadien-styren (ABS) i kwas polimlekowy (PLA). Oba materiały mają swoje zalety i ograniczenia. Wiadomo, że ABS emituje szkodliwe gazy podczas topienia w wysokich temperaturach, znacznie kurczy się podczas chłodzenia i nie jest przyjazny dla środowiska. Z drugiej strony PLA jest uważany za biodegradowalny, ale ma niską odporność na ciepło, wysoką kruchość i gorsze właściwości mechaniczne niż ABS.

Wiele rodzajów włókien termoplastycznych jest używanych do produkcji funkcjonalnych części drukowanych w 3D. Zatem te termoplastyczne włókna są wymagane do uzyskania różnych właściwości, drukowanej części takich jak odporność chemiczna, biokompatybilność, odporność na ciepło, elastyczność i wytrzymałość, w zależności od zastosowania będącego przedmiotem zainteresowania. Niektóre czyste włókna termoplastyczne mają również określoną jakość, którą warto poznać przed zastosowaniem ich w określonym procesie druku FFF. Większość czystych materiałów termoplastycznych używanych jako włókna FFF jest dostępnych na rynku, a krótkie opisy niektórych z nich  przedstawiono poniżej:

  • Akrylonitryl-butadien-styren (ABS): ABS jest jednym z najczęściej używanych materiałów do druku 3D. ABS, amorficzny polimer, nie jest uważany za biodegradowalny, ale znany jest ze swoich korzystnych właściwości, takich jak wysoka udarność, odporność na ścieranie i odporność chemiczna. Kolejną zaletą ABS jest jego wytrzymałość. ABS ma jednak pewne wady, takie jak kurczenie się i wypaczanie przed i po produkcji części. Temperatura topnienia ABS wynosi zwykle od 200 do 250 ° C. ABS podczas druku 3D może wytwarzać chemiczne opary, które wpływają na osoby z wrażliwością chemiczną lub powodują trudnościami w oddychaniu. Przemysł motoryzacyjny, medyczny i lotniczy wykorzystuje ABS do produkcji elementów funkcjonalnych.

  • Kwas polimlekowy (PLA): PLA jest kolejnym popularnym tworzywem termoplastycznym znanym ze swojej biodegradowalności, ale znanym również ze swojej wrażliwości na wilgoć zwłaszcza w temperaturze powyżej 60°C. Części konstrukcyjne PLA doświadczają mniejszych zniekształceń podczas drukowania niż ABS, ale mają one niską przewodność cieplną i wytrzymałość. Części konstrukcyjne PLA są zwykle używane do praktycznych zastosowań, które wymagają właściwości estetycznych.

  • Poliwęglan (PC): filament PC znany jest ze swoich dobrych właściwości mechanicznych, wysokiej temperatury zeszklenia i przezroczystości. Jest również amorficzny jak ABS. Z drugiej strony poliwęglany są wrażliwe na wilgoć i mają wysokie temperatury drukowania. Poliwęglan (PC) umożliwia drukowanie funkcjonalnych prototypów i jest stosowany w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.

  • Polieteroeteroketon (PEEK): PEEK ma temperaturę zeszklenia ok. 143 °C. Znany jest z wysokiej wytrzymałości mechanicznej, lekkości, odporności chemicznej i cieplnej oraz biodegradowalności. Temperatura drukowania PEEK jest wysoka i wynosi około 340 °C.

  • Polieteroimid (PEI): PEI jest lekkim tworzywem termoplastycznym o dobrych właściwościach mechanicznych, odporności na ciepło i dym. Jest to biokompatybilny polimer o wysokiej temperaturze zeszklenia. Części drukowane zbudowane z PEI mają słabe wykończenie powierzchni i słabą dokładność wymiarową. Patrząc na stosunek masy do wytrzymałości, byłaby to dobra opcja do zastosowań w szybkim prototypowaniu w kilku branżach, takich jak przemysł lotniczy i motoryzacyjny.

  • Nylon: Nylon jest znany ze swojej elastyczności, odporności na ciepło i odporności na uderzenia. Jest trwały i ma również dobre wartości wytrzymałościowe. Jednak jako materiał higroskopijny intensywnie pochłania wilgoć. Nylon jest podatny na wypaczanie, podobnie jak ABS. Efekt wypaczania można zmniejszyć, utrzymując temperaturę podłoża na poziomie około 75°C.

  • Polistyren wysokoudarowy (HIPS): HIPS to biodegradowalny polimer, który jest tworzywem termoplastycznym o niskiej wytrzymałości i dobrych właściwościach skrawania. Zaletami stosowania tego filamentu  są jego dobre właściwości płynięcia, odporność na uderzenia i niski koszt. Jest jednak podatny na zużycie i wymaga wysokiej temperatury drukowania oraz podgrzewanej platformy roboczej. Właściwości HIPS są podobne do ABS, ale drukowane części są lżejsze od ABS. HIPS jest preferowany do konstrukcji wsporczych, ponieważ rozpuszcza się w chemikaliach, takich jak limonen.

Filamenty do druku 3D wytwarane z kompozytów  polimerowych.

Obecnie stosowane filamenty wytwarzane z czystych polimerów termoplastycznych mają ograniczenia, takie jak niska wytrzymałość i sztywność. Tworzywa termoplastyczne stają się miękkie i nie zachowują swojego pierwotnego kształtu w wysokich temperaturach. W wielu przypadkach produkt wydrukowany z czystych włókien termoplastycznych nie może spełnić zestawu określonych wymagań funkcjonalnych. Właściwości drukowanych  części konstrukcyjnych są często nieodpowiednie w porównaniu z właściwościami części formowanych wtryskowo. W oparciu o obszary zastosowań, stale poszukuje się materiałów filamentowych, które są lekkie, mają wysoką wytrzymałość i dobrą jakość powierzchni.

Materiały kompozytowe są postrzegane jako realna opcja spełniająca te wymagania.

Do czystych tworzyw termoplastycznych można dodawać różne wzmocnienia ( wypełnienia), aby uzyskać pożądane właściwości części konstrukcyjnej  drukowanej w procesie 3D. Zapotrzebowanie na nowe materiały i materiały przyjazne dla środowiska to również powody stosowania materiałów kompozytowych. Często materiały kompozytowe wykazują lepsze właściwości w porównaniu z czystymi polimerami.

Ogólne terminy używane i związane z filamentami kompozytowymi do procesu druku 3D są następujące:

  • Włókna kompozytowe: Filamenty kompozytowe lub materiały kompozytowe są ogólnie kombinacją dwóch lub więcej składników lub faz, co skutkuje unikalnymi właściwościami fizycznymi i chemicznymi, których nie można uzyskać z pomocą każdego składnika stosowanego osobno. W przypadku większości kompozytów jeden składnik to osnowa, a drugi to wzmocnienie (wypełnienie). Celem opracowywania kompozytów jest często poprawa właściwości osnowy.

  • Matryca: Obecnie polimery termoplastyczne są szeroko stosowane jako materiały matrycowe w kompozytach. Kompozyty z osnową polimerową mają unikalne właściwości w porównaniu z czystymi polimerami. Kompozyty z matrycą polimerową nadają się do procesu FFF, ponieważ proces druku 3D został opracowany w celu wykorzystania tworzyw termoplastycznych do wytwarzania części w sposób addytywny.

  • Wzmocnienia (wypełnienia): Różne rodzaje wzmocnień, takie jak cząstki, włókna i nie cząstki, są włączane do matrycy polimerowej jako materiały pomocnicze w celu uzyskania określonych właściwości mechanicznych, termicznych i elektrycznych kompozytów z matrycą polimerową. Właściwości materiałów kompozytowych zależą od rodzaju materiału wzmacniającego, wielkości cząstek, orientacji włókien oraz składu materiałów wzmocnionych. W wielu przypadkach dodaje się materiały wzmacniające w celu obniżenia kosztów (węglan wapnia), ale wzmocnienia mogą również poprawić właściwości funkcjonalne części konstrukcyjnych drukowanych w procesie 3D.

Filamenty używane do druku 3D wymagają określonego kształtu, ciągliwości i innych właściwośc chemicznych i mechanicznych. Wybór materiału na włókno (filiament) kompozytowe stanowi wyzwanie, ponieważ podczas wytwarzania części w procesie druku 3D może dojść do zerwania włókna i zatkania dyszy. Ponadto heterogeniczny charakter materiałów kompozytowych utrudnia ich recykling po zakończeniu okresu użytkowania. Przy wyborze wzmocnienia i/lub składu matrycy dla włókien kompozytowych należy wziąć pod uwagę możliwość recyklingu, ślad węglowy i inne czynniki środowiskowe. Bio- i biodegradowalne wzmocnienia i matryce generalnie mają niższy ślad węglowy pod koniec ich cyklu życia.

Kompozyty przeznaczone do produkcji filamentów z zawartością cząstek stałych.

Aby wytworzyć cząsteczkowe filamenty kompozytowe, materiały wzmacniające w postaci cząstek są wprowadzane do matrycy polimerowej i dalej wytłaczane w postaci włókna (filamentu). Właściwości kompozytów cząsteczkowych zależą od wielkości, kształtu, orientacji i proporcji objętości cząstek oraz interfejsów między cząstkami a matrycą polimerową. Pękanie filamentu i zatykanie dyszy spowodowane kruchością filamentu i dużym rozmiarem cząstek to dwa typowe problemy techniczne często napotykane w procesie druku 3D. Konieczne jest rozważenie tych problemów technicznych podczas opracowywania lub wykorzystywania kompozytowych włókien ciągłych z wypełnieniem w postaci cząstek stałych.

Wraz z kwestiami technicznymi wpływ wielkości cząstek, udziału objętościowego cząstek i parametrów procesu na właściwości drukowanej części może być znaczący. Zdolność do druku i właściwości części mają kluczowe znaczenie dla wyboru materiału kompozytowego. Aby zapewnić szerokie zastosowanie filamentów kompozytowych w procesie druku 3D, włókna kompozytowe powinny mieć możliwość wykorzystania w tradycyjnych maszynach drukujących 3D bez dodatkowej modyfikacji sprzętu i oprogramowania.

Krótki opis niektórych stosowanych kompozytów polimer termoplastycny – cząstki innego materiału.

  • Wpływ cząstek miedzi i żelaza na rozciąganie i właściwości termiczne kompozytów z osnową ABS. Wykazano, że wytrzymałość na rozciąganie i odkształcenie przy rozciąganiu zmniejszają się wraz ze wzrostem procentowej zawartości metalu zbrojenia z powodu tworzenia się większej ilości pustych przestrzeni przy wyższym udziale objętościowym cząstek metalu. Przewodność cieplna jest również zwiększona po zwiększeniu procentowej zawartości metalu zbrojenia w kompozytach. W rezultacie niedokładność wymiarowa i deformacja kształtu zmniejszają się dzięki zmniejszeniu zniekształceń termicznych. Aby poprawić przewodność cieplną niewypełnionego ABS, w matrycy ABS wymagane jest co najmniej 20% cząstek miedzi i 30% cząstek żelaza. Ogólnie, mały rozmiar cząstek jest korzystny dla wzmocnienia wiązania między cząstkami polimeru i metalu, ponieważ zwiększa się stosunek pola powierzchni do objętości. Do wytwarzania filamentu kompozytowego z matrycą polimerową ABS i cząstkami wzmacniającymi z żelaza podczas wytłaczania włókna kompozytowego za pomocą wytłaczarki jednoślimakowej stosuje się do 10% objętościowych proszku żelaza (do 45 μm) i niewielką część środka powierzchniowo czynnego. W produkcji filamentu optymalna kombinacja prędkości ślimaka, temperatury i ciśnienia jest wybierana metodą prób i błędów w celu wytworzenia włókna o jednolitej średnicy i wymaganej homogeniczności.

  • Zastosowanie nylonu (PA) jako matrycy i żelaza jako wypełnienia. Wykazano, że moduł sprężystości przy rozciąganiu i naprężenia rozciągające zmniejszają się wraz ze wzrostem procentowej zawartości żelaza. Właściwości rozciągające zmniejszają się pod obciążeniem rozciągającym z powodu tworzenia się pustych przestrzeni między cząstkami nylonu i żelaza. Wielkość cząstek ma  znaczenie dla właściwości wytrzymałościowych, ponieważ wiązanie między osnową a zbrojeniem zależy od wielkości cząstek zbrojenia. Zgodnie z wynikami analiz, przewodność cieplna wzrasta wraz ze wzrostem udziału objętościowego cząstek żelaza w osnowie nylonu oraz wielkości cząstek metalu.

  • Zastosowanie proszku wolframu do wzmocnienia matrycy PC (poliwęglan) w zastosowaniach związanych z osłoną przed promieniowaniem. Wyniki badań eksperymentalnych wykazały, że zdolności ekranowania promieniowania rentgenowskiego wzrosły o około 10% przy niewielkiej zawartości wolframu, do 3% objętościowo, bez znaczącej zmiany właściwości elektromagnetycznych i mechanicznych. Ponadto badanie mikroskopowe wykazało, że prawdopodobieństwo propagacji pęknięć wokół cząstek wolframu jest wysokie z powodu pustej przestrzeni wokół cząstek.

  • Stal nierdzewna jako wzmocnienie  ABS. Podobnie jak w przypadku innych wyników badań, wyniki analizy wskazują, że adhezja metalu / stopu poprawia przewodność cieplną, ale obniża właściwości mechaniczne (np. wytrzymałość na rozciąganie). W przypadku  15% stali nierdzewnej przewodność cieplna i właściwości magnetyczne części drukowanych z kompozytu ABS-Stal nierdzewna zwiększają się bez znacznego pogorszenia właściwości mechanicznych.

  • Azotek boru jako wzmocnienie  ABS do produkcji filamentów w celu uzyskania zarówno przewodności cieplnej, jak i izolacji elektrycznej. Analiza eksperymentalna wykazała, że przewodność cieplna i moduł sprężystości przy zginaniu wzrastają wraz ze wzrostem udziału objętościowego azotku boru w kompozycie. Z drugiej strony wytrzymałość na zginanie i udarność zmniejsza się po dodaniu azotku boru.

  • Wytłaczanie materiału metalowego, które łączy druk 3D i proces spiekania proszków metali. W pierwszym etapie w procesie druku 3D wytwarzane są części z kompozytów polimerowych wzmacnianych metalem. Proces druku służy do produkcji skomplikowanych części przy zachowaniu niskich kosztów, a proces spiekania pozwala uzyskać wymagane właściwości części drukowanych z metalu. Do druku części może byś użyta miedź, brąz, stal nierdzewna, żelazo wysokowęglowe i aluminium, które miesza się z POM (Polioksymetylen) w procentach wagowych odpowiednio 90%, 88%, 65%, 75% i 85% w strukturze filamentu. Etap spiekania znacznie zmniejsza zawartość pustych przestrzeni i skutkuje lepszymi właściwościami mechanicznymi drukowanej części. Wykazano również, że grubość warstwy i orientacja budowy mają istotne znaczenie dla właściwości drukowanej części.

Właściwości części konstrukcyjnych  i drukowność zależą od kilku czynników dla kompozytów ziarnistych. Ograniczenia dostępnych materiałów na filamenty  można przezwyciężyć, stosując jako wzmocnienia różne rodzaje cząstek, takich jak metale i ceramika. Łączenie cząstek z czystymi tworzywami termoplastycznymi, takimi jak PLA, ABS, PA, polikaprolakton (PCL), POM i nylon w celu opracowania nowych kompozytowych materiałów na filamenty, nadaje nowy wymiar zastosowaniom procesu druku 3D w różnych dziedzinach, takich jak np. elektronika i biomedycyna. Zgodnie z opublikowanymi pracami, cząsteczkowe włókna kompozytowe mogą osiągnąć wiele unikalnych właściwości, takich jak przewodnictwo cieplne i przewodnictwo elektryczne. Jednocześnie niektóre właściwości ulegają pogorszeniu wraz z dodatkiem wzmocnień cząsteczkowych, takie jak wytrzymałość na rozciąganie. Ten negatywny wpływ może wynikać z kilku przyczyn, takich jak tworzenie się pustych przestrzeni i słabe wiązanie międzywarstwowe.

Kontrolowane struktury wewnętrzne lub zewnętrzne, porowatość, biokompatybilność i adhezja komórek to niektóre właściwości, które mogą spełniać części kompozytowe wydrukowane w technologii 3D. Jedno z wymagań dla wielu zastosowań biomedycznych, takich jak inżynieria tkankowa i rusztowania kostne, można osiągnąć poprzez pogorszenie innych właściwości, takich jak wytrzymałość. Kompromis wynika ze słabej adhezji pomiędzy osnową a cząstkami będącymi zbrojeniem, co powoduje powstawanie pustych przestrzeni w strukturach filamentu kompozytowego. Różne środki sprzęgające można mieszać ze wzmocnieniami matrycy i cząstkami podczas produkcji filamentu kompozytowego w celu poprawy właściwości mechanicznych, ponieważ środki sprzęgające wzmacniają wiązanie między cząstkami a matrycą. Dodatkowo przyczepność osnowy i zbrojenia można poprawić, stosując obróbkę wstępną powierzchni. Kluczowe znaczenie ma zapewnienie równomiernego rozproszenia cząstek w matrycy polimerowej podczas mieszania matrycy i zbrojenia. Etap mieszania należy wykonać przed procesem drukowania w trakcie wytwarzania włókna (filamentu) kompozytowego.
Kompozytowe filamenty do procesu druku 3D są przepuszczane przez głowicę drukarki 3D w celu stopienia i drukowania części. Zatem materiały kompozytowe stosowane do produkcji włókien FFF powinny spełniać wymagania dotyczące lepkości, właściwości rozciągających oraz krystalizacji. W procesie druku 3D włókno przechodzi przez małą dyszę, zazwyczaj o średnicy 0,4 mm. Rozmiar cząstek, jednorodna dyspersja cząstek i udział cząstek w kompozytach są istotne, aby uniknąć zatykania dyszy, wyboczenia włókna i pękania włókna.

Właściwości termiczne i elektryczne są warunkiem wstępnym wielu zastosowań w różnych dziedzinach, takich jak lotnictwo i motoryzacja. Cząstki materiału przewodzącego ciepło mogą być dodawane jako wzmocnienie w kompozytach w celu poprawy właściwości przewodności cieplnej. Wskaźnik szybkości płynięcia (MFI) jest miarą płynięcia materiału w jednostce czasu. Zależy ona od lepkości materiału filamentowego w temperaturze drukowania. MFI włókna kompozytowego powinien być zbliżony do MFI czystych włókien termoplastycznych, aby można było korzystać z istniejących drukarek 3D.

W drukowanych częściach konstrukcyjnych istotne są właściwości filamentu, takie jak MFI, plastyczność i wytrzymałość na rozciąganie. Jakość filamentów zależy od jakości mieszania materiałów i wytłaczania filamentu. Jakość mieszania i wytłaczania jest zależna od zastosowanych wytłaczarek. Te etapy są najmniej analizowanym obszarem w porównaniu z doborem materiałów na kompozyty, trudnością wytwarzania części i analizą parametrów procesu FFF. Potencjalne obszary badawcze mające na celu przyspieszenie rozwoju nowych materiałów filamentowych FFF obejmują:

  • Udoskonalenie procesu mieszania i wytłaczania materiałów.
  • Ulepszenie i standaryzację procesu wytłaczania włókien.
  • Czynniki środowiskowe, takie jak możliwość recyklingu, trudności w utylizacji i wytwarzanie oparów podczas drukowania.

Czynniki środowiskowe są również niezbędne do rozważenia podczas wyboru kompozytu filamentowego, aby zapewnić zrównoważony rozwój surowców. Oprócz właściwości włókna kompozytowego przy wyborze materiału kompozytowego należy uwzględnić wymagania dotyczące zastosowania. Niektóre obszary, takie jak zastosowania związane z żywnością i opieką zdrowotną, mogą mieć określone wymagania związane z bezpieczeństwem ludzi. Na przykład ABS nie jest tworzywem termoplastycznym przeznaczonym do kontaktu z żywnością. Dlatego ABS nie jest zalecany do produkcji części, które służą do przechowywania lub podawania artykułów spożywczych.

Filamenty kompozytowe wzmacniane włóknami.

Włókna naturalne lub syntetyczne są stosowane jako materiały wzmacniające zamiast cząstek stałych, które wraz z matrycą polimerową tworzą kompozyty wypełnione (wzmocnione) włóknami. Różne włókna, takie jak szkło, łuska ryżu i węgiel o różnych długościach, są mieszane z polimerami w celu przygotowania filamentu kompozytowego. Właściwości kompozytu włóknistego zależą od właściwości włókien i osnowy, udziału objętościowego włókien, ułożenia włókien, wiązania międzyfazowego między włóknami a osnową oraz zawartości pustych przestrzeni. Celem opracowywania kompozytów włóknistych jest poprawa właściwości mechanicznych, termicznych i elektrycznych oraz biokompatybilności w celu zróżnicowania zastosowań druku 3D w różnych dziedzinach. Filamenty wzmocnione włóknami są potencjalnymi materiałami do wykorzystania części konstrukcyjnych AM w różnych gałęziach przemysłu, w tym w lotnictwie, motoryzacji i opiece zdrowotnej.
Kompozyty polimerów i włókien są ogólnie klasyfikowane jako kompozyty z krótkimi włóknami i kompozyty z ciągłymi włóknami na podstawie długości włókien. Zazwyczaj długość włókien jest mniejsza niż 1 mm dla kompozytów z krótkimi włóknami. W kompozycie z krótkimi włóknami włókna są mieszane z matrycą polimerową przed przygotowaniem filamentów kompozytowych. Z drugiej strony oddzielne szpule włókien i filamentów polimerowych są używane do drukowania części z kompozytów z włókien ciągłych.

Filamenty kompozytowe z krótkimi włóknami.

Krótkie włókna są mieszane z matrycą polimerową w procesie mieszania i wytłaczania filamentów kompozytowych napełnionych krótkimi włóknami. W kompozytach z krótkimi włóknami włókna są jednorodnie rozproszone na matrycy polimerowej. Uzyskanie kompozytów w postaci polimerów napełnionych włóknami wymaga zastosowania odpowiednich wytłaczarek dwuślimakowych.

Orientacja włókien w drukowanej konstrukcji i ich długość są uważane za istotne parametry dla właściwości mechanicznych kompozytowych części drukowanych w technologii 3D.

Wykazano, że dla włókien węglowych naprężenie zginające, naprężenie rozciągające, moduł sprężystości przy zginaniu i wytrzymałość na zginanie są maksymalne przy 5% udziale włókna węglowego. Jednak moduł Younga jest najwyższy przy 7,5% udziale masy włókien węglowych w kompozycie. Większość właściwości na rozciąganie i zginanie jest niższa przy 10% zawartości włókna węglowego, ponieważ poziom porowatości jest wysoki. Plastyczność zmniejsza się wraz ze wzrostem udziału włókien węgla i ich długości. Eksperymentalna analiza wykazuje, że wytrzymałość na rozciąganie i sztywność drukowanych elementów konstrukcyjnych wzrasta odpowiednio dwukrotnie i czterokrotnie, gdy 13% udział włókien węglowych jest stosowany jako wzmocnienie z ABS w porównaniu z czystym ABS. Mieszanka włókien węglowych z ABS zwiększa dokładność druku, ponieważ zmniejsza współczynnik rozszerzalności cieplnej i zwiększa przewodność cieplną.

Moduł sprężystości przy rozciąganiu jest wysoki w przypadku części konstrukcyjnych z włókna węglowego w porównaniu z częściami wykonanymi z czystego ABS. Wytrzymałość na rozciąganie jest dobra przy orientacji rastra 0° i −45/+45°, a słaba przy orientacji rastra 90° w przypadku części konstrukcyjnych z dodatkiem włókna węglowego. Wytrzymałość na rozciąganie zmniejsza się przy orientacji 90°, ponieważ włókna zmniejszają wiązanie międzyfazowe z powodu pustek.

Filamenty kompozytowe węgiel-ABS mogą być wykorzystywane do wytwarzania elementów nośnych w procesie druku 3D. Wytrzymałość na rozciąganie znacznie wzrasta do 20% udziału włókien węgla, a moduł sprężystości przy rozciąganiu znacznie wzrasta do 30% składu węgla. Włókna węglowe zwiększają przyczepność między dwiema warstwami. Z drugiej strony pustki w warstwie zwiększały się wraz ze wzrostem udziału włókien z powodu słabej adhezji między polimerem a włóknami. Wiązanie między polimerem a włóknami można poprawić, zwiększając długość włókien wraz z dodaniem dodatków adhezyjnych. Długość włókien może ulec skróceniu z powodu zerwania podczas mieszania polimeru lub gdy stopione włókna przechodzą przez dyszę głowicy drukarki 3D. Właściwości mechaniczne części konstrukcyjnych kompozytu włóknistego zwiększają się, gdy orientacja włókien staje się równoległa do kierunku osadzania włókien.

Dodatek krótkich włókien szklanych jako wzmocnienie z polipropylenem powoduje, że kompozytowe części konstrukcyjne mają wyższą wytrzymałość i moduł oraz mniejsze odkształcenia i skurcze niż części z czystego polipropylenu. Jednak dodatek włókien szklanych zmniejsza elastyczność i wydłużenie w punkcie zerwania. Elastyczność można zwiększyć, mieszając niektóre dodatki, takie jak POE-g-MA.

Właściwości mechaniczne czystego nylonu w porównaniu z kompozytami nylonowymi wzmocnionymi włóknem węglowym. W kompozytach z udziałem włókna węglowego ok 8% wagowych badania eksperymentalne wykazały, że właściwości rozciągania i właściwości zginania krótkich nylonowych elementów kompozytowych z włókna węglowego są lepsze niż części z czystego nylonu. Wytrzymałość na ściskanie i moduł sprężystości na ściskanie są zmniejszone w porównaniu z czystym nylonem. Długość włókien, orientacja włókien, rozmieszczenie włókien i interakcja włókna z matrycą są istotne dla właściwości mechanicznych kompozytów.

Kompozyty drukowane 3D z zastosowaniem włókien ciągłych jako wzmocnienia.

W kompozytach drobnoziarnistych i z krótkimi włóknami wzmocnienia są mieszane z matrycą polimerową podczas procesu produkcji filamentu do drukarek 3D. Filamenty są wytwarzane przy użyciu urządzeń, takich jak wytłaczarka jednoślimakowa lub dwuślimakowa w procesie wytłaczania. W procesie druku 3D polimerem wzmacnianym włóknem ciągłym, polimer matrycowy i włókna są osadzane z dwóch oddzielnych szpul. Istnieją dwie powszechnie stosowane techniki wytwarzania części z kompozytów wzmacniających włóknami ciągłymi. W jednym scenariuszu włókna polimerowe i włókna ciągłe są osadzane na platformie roboczej z dwóch oddzielnych dysz, jak. W ten sposób można kontrolować udział objętościowy włókien. W innej technice włókna polimerowe i włókna ciągłe są dostarczane z dwóch różnych szpul do jednej głowicy drukarki 3D i osadzane jednocześnie.

Dyskusja na temat zastosowania filamentów kompozytowych w druku 3D.

Włókna węglowe i szklane są najczęściej stosowanymi włóknami do kompozytowych filamentów procesowych stosowanych do druku 3D. Jakość kompozytów zależy od kilku czynników, takich jak temperatura mieszania, czas mieszania, rozkład włókien w osnowie, energia powierzchniowa, współczynnik rozszerzalności cieplnej, orientacja włókien, proporcja włókien, adhezja między włóknami a osnową, stabilność termiczna włókien, obecność pustek, absorpcja wilgoci przez włókna, średnica włókien i długość włókien.

Równomierne rozmieszczenie włókien w matrycy polimerowej jest wymagane w przypadku wysokiej jakości części drukarskich do rzeczywistych zastosowań. Ogólnie rzecz biorąc, silne wiązanie między włóknami a polimerami jest warunkiem wstępnym uzyskania pożądanych właściwości kompozytów poprzez przenoszenie obciążeń. Można zastosować różne procesy obróbki chemicznej i fizycznej w celu zwiększenia wiązania pomiędzy polimerami a włóknami. Długość włókien zmniejsza się podczas mieszania matrycy i włókien z powodu pękania włókien w procesie wytłaczania. Optymalizacja procesu wytłaczania filamentu jest wymagana do produkcji wysokiej jakości filamentów.

Filamenty mogą również pękać podczas wytłaczania filamentu przez dyszę drukarki. Długie włókna nie zawsze są preferowane w procesie druku 3D, ponieważ włókno przechodzi przez dyszę podczas drukowania, zatykanie dyszy może wystąpić w przypadku długich włókien. Różne rodzaje dodatków, takie jak plastyfikatory, stabilizatory przeciwstarzeniowe, modyfikatory właściwości reologicznych i środki sprzęgające można mieszać z surowymi materiałami włókien kompozytowych w celu poprawy elastyczności, trwałości, energii powierzchniowej i właściwości mechanicznych.

Filamenty do druku 3D wzmacniane nanokompozytami.

Nanokompozyty są najrzadziej analizowaną kategorią filamentów kompozytowych w porównaniu z kompozytami cząsteczkowymi i wzmocnionymi włóknami. Podobnie jak inne materiały kompozytowe, nanokompozyty składają się z więcej niż jednego składnika lub fazy, tworząc unikalną właściwość. Różnica polega na tym, że co najmniej jeden wymiar materiału jest mniejszy niż 100 nm. W przypadku nanokompozytów mieszanych z matrycą polimerową występują efekty na poziomie molekularnym związane z adhezją matrycy do materiałów nanocząstek.

W przeciwieństwie do kompozytów z cząstek stałych i włókien, puste przestrzenie w warstwach są mniejsze w częściach kompozytowych drukowanych z nanofilamentów. W porównaniu z czystym ABS, nanokompozytowa konstrukcja drukowanej części poprawiła wytrzymałość na rozciąganie, moduł sprężystości, wytrzymałość na zginanie i moduł sprężystości przy zginaniu, podczas gdy wydłużenie przy zerwaniu uległo pogorszeniu.

Nanopłytki grafenu jako wzmocnienie polimerem ABS do przygotowania filamentu. Wstępne badanie oszacowało zwiększony moduł sprężystości, stabilność termiczną oraz zmniejszone naprężenia i odkształcenia przy zerwaniu w przypadku drukowanej części o konstrukcji kompozytowej w porównaniu z częściami z czystego ABS.

Właściwości części konstrukcyjnych drukowanych z włókien PLA z dodatkiem grafenu w porównaniu z częściami z czystego PLA. W przypadku części kompozytowych, moduł sprężystości, odporność na przemieszczenie, odporność na zużycie i odporność na pełzanie poprawiły się. Porowatość w strukturach PLA-grafen jest stosunkowo wysoka w porównaniu do części z czystego PLA z powodu słabych wiązań wewnątrzwarstwowych i międzywarstwowych.

Dyskusja na temat filamentów nanokompozytowych.

Nanokompozyty mają wiele lepszych właściwości w porównaniu z mikrokompozytami. Przynajmniej jeden wymiar zbrojenia w nanokompozytach jest mniejszy niż 100 μm, co oznacza, że stosunek powierzchni do objętości jest dla nanokompozytów wysoki, i dlatego więcej atomów powierzchni wzmocnień może stykać się z osnową polimerową. W ten sposób adhezja międzyfazowa staje się silna w powstałych kompozytach. Właściwości mechaniczne, stabilność termiczną, przewodność elektryczną, zdolność tłumienia i elastyczność można poprawić, dodając nanocząsteczki do czystych tworzyw termoplastycznych. Podobnie jak w przypadku większości materiałów kompozytowych, właściwy dobór materiałów wzmacniających oraz ich wymiary są istotnymi czynnikami wpływającymi na jakość adhezji pomiędzy nanocząstkami a matrycami polimerowymi. Siła wiązania zależy od energii powierzchniowej. W celu zwiększenia siły wiązania można zastosować różne procesy obróbki powierzchni i środki powierzchniowo czynne.

Filamenty biodegradowalne z bioplastików.

Powszechnie stosowane tworzywa termoplastyczne i ich polimery na filamenty do druku 3D mogą być biodegradowalne lub nie biodegradowalne. Kwestie ochrony środowiska i gospodarowania odpadami mogą zwiększać bezpieczeństwo i żywotność naszej ziemi. Ograniczony wpływ na środowisko naturalne jest również niezbędny dla zrównoważonego rozwoju gospodarczego oraz tworzenia zrównoważonego świata społeczeństwa przyszłości. Drukowane części konstrukcyjne przechodzą przez kilka etapów cyklu życia, od zakupu materiału do końca okresu użytkowania części drukowanej. Wymagana jest analiza wpływu na środowisko naturalne na każdym etapie cyklu życia w celu zrównoważonego rozwoju procesu druku 3D i jego materiałów filamentowych.

Obróbka produktów z biofilamentów po zakończeniu cyklu życia ma kluczowe znaczenie dla ograniczenia wpływu na środowisko i ilości odpadów. Recykling, ponowne użycie, odzyskiwanie energii i utylizacja to dobrze znane zabiegi związane z wycofywaniem z eksploatacji tworzyw polimerowych. Recykling jest jedną z najczęściej stosowanych strategii dla bioplastików. W recyklingu biotworzywa są przetwarzane w celu ponownego wykorzystania do innych zastosowań. Spośród różnych procesów recyklingu metoda recyklingu mechanicznego jest powszechnie stosowana do recyklingu półplastików. Ta metoda wykorzystuje procesy mechaniczne do odzyskiwania odpadów z tworzyw sztucznych i pozwala na wielokrotne ponowne wykorzystanie bioplastików. Do wytworzenia filamentu można stosować różne rodzaje bioplastików i ich kompozytów. W tej sekcji omówiono możliwości i wyzwania związane z opracowywaniem i stosowaniem bioplastikowych materiałów filamentowych.

Różne rodzaje bioplastików i ich kompozytów mogą być wykorzystywane do produkcji części w procesie druku 3D. Należy jednak zauważyć, że nie wszystkie tworzywa sztuczne pochodzenia biologicznego ulegają biodegradacji. Zasadniczo istnieją trzy rodzaje biotworzyw:

  • Biotworzywa pochodzenia biologicznego.
  • Biotworzywa biodegradowalne.
  • Biotworzywa pochodzenia biologicznego i biodegradowalne.

Spośród tych trzech rodzajów bioplastików omówione zostaną tylko biotworzywa pochodzenia biologicznego i biodegradowalne. Biopolimerowe i biodegradowalne biotworzywa emitują mniej gazów cieplarnianych i są mniej szkodliwe dla organizmów wodnych i dzikich zwierząt. Biodegradowalne polimery rozkładają się naturalnie w bioaktywnym środowisku przez mikroorganizmy, takie jak bakterie i grzyby. Długie łańcuchy polimerów mogą rozpadać się na oligomery lub monomery dzięki enzymatycznym działaniom mikroorganizmów. Niektóre reakcje nieenzymatyczne mogą również rozkładać długie łańcuchy polimerów. Tworzywa pochodzenia biologicznego pochodzą z odnawialnej biomasy, takiej jak tłuszcze i oleje roślinne, skrobia kukurydziana, słoma i zrębki. Istnieją różne źródła rozwoju bioplastików, które można podzielić na kilka głównych kategorii.

Filamenty pochodzenia biologicznego i biodegradowalne.

Tworzywa sztuczne produkowane na bazie paliw kopalnych uwalniają do atmosfery dwutlenek węgla i toksyczne substancje, które są przyczyną globalnego ocieplenia. Biotworzywa i biodegradowalne biotworzywa są realnymi opcjami ochrony Ziemi przed globalnym ociepleniem, ponieważ emitują mniej dwutlenku węgla podczas degradacji. Te biotworzywa mogą rozkładać się zarówno w środowisku beztlenowym, jak i tlenowym, w zależności od ich właściwości.

Przyjazne dla środowiska i zrównoważone rozwiązania materiałowe cieszą się dużym zainteresowaniem, ponieważ kwestie gospodarki odpadami są uważane za problemy globalne. Zużycie energii i emisja gazów cieplarnianych to dwa kluczowe czynniki przy wyborze materiału do druku 3D. Naukowcy pracują nad opracowaniem nowych materiałów, aby uzyskać różne właściwości do funkcjonalnych zastosowań dla druku części. Oprócz skupienia się na właściwościach mechanicznych, należy również wziąć pod uwagę zużycie zasobów, zużycie energii nieodnawialnej, emisję szkodliwych gazów i powstawanie odpadów podczas procesu produkcji filamentów. Większość materiałów stosowanych w procesie druku 3D nie jest przyjazna dla środowiska. Biotworzywa i ich filamenty kompozytowe są tańsze niż włókna z tworzyw sztucznych na bazie paliw kopalnych.

Polylactic acid (PLA) jest najczęściej stosowanym biotworzywem do filamentów. PLA jest biodegradowalnym i biokompatybilnym tworzywem sztucznym pochodzącym ze sfermentowanej skrobi roślin, takich jak kukurydza, burak cukrowy i trzcina cukrowa. Poza tym podczas drukowania nie wydziela toksycznych gazów.

Polihydroksyalkanian (PHA) to bioplastik wytwarzany w wyniku bakteryjnej fermentacji cukru lub lipidów. Podobnie jak PLA, PHA jest również termoplastycznym poliestrem alifatycznym. Poli(3-hydroksymaślan) (PHB) i poli(3-hydroksymaślan-ko-3-hydroksywalerianian) (PHBV) to dwa najczęściej stosowane i dostępne na rynku PHA. PHB ma wysoką kruchość, wytrzymałość i sztywność w porównaniu do PHBV, który jest plastyczny.

Obecnie dostępnych jest wiele innych bioplastików, takich jak PBS. Jednak wykorzystanie tych bioplastików do produkcji włókien nie zostało jeszcze dokładnie zbadane. Dlatego zachęca się naukowców do badania tych potencjalnych materiałów filamentowych w ramach nowych, przyjaznych dla środowiska materiałów filamentowych. Ponadto należy również wziąć pod uwagę rozwój filamentów z kompozytów z bioplastików. Istnieje kilka biopochodnych i biodegradowalnych filamentów kompozytowych używanych do produkcji części w procesie druku 3D.

Kompozyty bioplastikowe stosowane do wytwarzania filamentów do druku 3D.

Kompozyty bioplastików można również wykorzystać do wytwarzania filamentów w celu rozszerzenia obszarów zastosowań procesu druku 3D. W kompozytach biotworzyw polimery pochodzenia biologicznego są łączone z syntetycznymi materiałami wzmacniającymi w celu uzyskania różnych unikalnych właściwości. Właściwości elementów konstrukcyjnych drukowanych z filamentów przyjaznych dla środowiska można poprawić, przygotowując włókna z kompozytów, które obejmują mieszanie matrycy pochodzenia biologicznego i wzmocnienia. Celuloza, białko i minerały to trzy szerokie kategorie wzmocnień biologicznych.

Biotworzywa w porównaniu z tworzywami syntetycznymi mogą obniżyć koszty, emisję gazów cieplarnianych i opłaty środowiskowe. Aby chronić Ziemię przed globalnym ociepleniem, należy ograniczyć użycie innych tworzyw sztucznych, które nie są przyjazne dla środowiska. Podobnie jak w innych sektorach, przy opracowywaniu materiałów filamentowych do druku 3D należy koniecznie wziąć pod uwagę czynniki środowiskowe.
Oprócz PLA należy dalej badać inne potencjalne biotworzywa i biodegradowalne biotworzywa jako materiały filamentów, aby zwiększyć wybór i dostępność materiałów dla procesu druku.

Konieczne jest również zbadanie, jak dobrze biowzmocnienia mieszają się z biotworzywami, aby poprawić właściwości filamentów z bioplastików i potencjalnie uzyskać unikalne właściwości z włókien kompozytowych. Potencjalnymi wzmocnieniami mogą być różne rodzaje biomateriałów, takie jak łuski ryżowe, łuski sojowe, mączka drzewna, włókna roślinne (np. sizal i len), włókna zwierzęce (np. wełna i sierść wielbłąda) które mogą nadawać się do mieszania z biotworzywami. Tworzywa pochodzenia biologicznego po zmieszaniu z innymi materiałami mogą utracić swoje właściwości biodegradowalne.

Dyskusja i potencjalne obszary badawcze nad filamentami biodegradowalnymi.

Istnieje wiele zastosowań procesu druku 3D, a jego wykorzystanie i adaptacja stale rośnie. Proces druku został wykorzystany do produkcji niefunkcjonalnych produktów estetycznych, takich jak zabawki, eksponaty i różne funkcjonalne części do zastosowań w przemyśle lotniczym, samochodowym i medycznym. Proces druku 3D ma wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi procesami produkcyjnymi. Jednak wybór materiałów na filamenty jest nadal ograniczony. Ponadto powszechnie stosowane materiały filamentowe, takie jak PLA, ABS, PCL i PP, mają ograniczenia i nie zawsze nadają się do produkcji części funkcjonalnych. Wybór i rozwój materiałów do filamentów przyciągają uwagę badaczy zajmujących się produkcją i materiałoznawstwem.

Czyste filamenty termoplastyczne ma wiele ograniczeń, takich jak słabe właściwości mechaniczne, termiczne i elektryczne. Ze względu na te ograniczenia zastosowania części konstrukcyjnych jest ograniczone. Jednak różne wzmocnienia można mieszać z czystymi tworzywami termoplastycznymi w celu opracowania przyszłych filamentów w celu uzyskania unikalnych właściwości. Właściwości materiałów osnowy i wzmacniających należy rozpatrywać z właściwościami opracowanych kompozytów, aby spełnić wymagania funkcjonalne dla druku 3D. Na przykład przewodzące wzmocnienia, takie jak miedź, można mieszać z tworzywami termoplastycznymi, aby uzyskać włókna o lepszej przewodności cieplnej i elektrycznej. Właściwości rozciągania, ściskania, zginania i termiczne to najczęściej analizowane właściwości tworzyw termoplastycznych i włókien kompozytowych. Ale istnieje wiele innych właściwości, takich jak właściwości elektryczne, właściwości przy obciążeniu cyklicznym, itp.

PLA, ABS i nylon to trzy najbardziej znane materiały polimerowe do produkcji czystych termoplastycznych filamentów i kompozytowych włókien. Inne polimery, takie jak PEI, PC, PP, HIPS i PEEK, sa używane jako filamenty, chociaż badania nad opracowaniem włókien kompozytowych z tych polimerów są nadal ograniczone. Potencjalnym obszarem badań jest eksploracja kompozytów tych polimerów na filamenty przeznaczone do druku 3D. Innym celem badań może być skupienie się na możliwości zastosowania dwóch lub więcej mieszanych tworzyw termoplastycznych jako filamentów kompozytowych.

Węgiel, szkło, miedź i żelazo to najczęściej stosowane wzmocnienia w filamentach kompozytowych. Te wzmocnienia są mieszane z polimerami w celu poprawy różnych właściwości, takich jak przewodność cieplna i przewodność elektryczna. Inne wzmocnienia, takie jak węglan wapnia, kaolin, krzemionka, tlenek cynku, magnetyt lub wollastonit, można dalej badać jako potencjalne wzmocnienia, które można mieszać z materiałem termoplastycznym w celu opracowania nowych materiałów filamentowych.

Materiały wzmacniające są dostępne w różnych postaciach, takich jak cząstki, włókna, nanowłókna i nanocząstki. Ogólnie rzecz biorąc, wzmocnienia są mieszane z matrycą polimerową w procesie produkcji filamentu. Do tego procesu potrzebne są ekstrudery dwuślimakowe wyposażone w dozowniki boczne oraz dozowniki grawimetryczne do granulek i proszków.

Oprócz zrównoważonego rozwoju biomateriałów, wraz ze wzrostem popularności druku 3D będzie obowiązywać coraz więcej przepisów dotyczących ochrony środowiska. istnieje potrzeba zaplanowania odpowiednich procesów recyklingu i ponownego wykorzystania części drukowanych. Proces recyklingu staje się trudniejszy w przypadku materiałów kompozytowych ze względu na ich niejednorodny charakter. Chociaż ogólnie tworzywa sztuczne są uważane za łatwe do recyklingu, nie wszystkie tworzywa sztuczne mają taki sam stopień podatności na powtórne przetworzenie. Niektóre rodzaje lub gatunki tworzyw sztucznych są trudniejsze do recyklingu. Dodatkowo, jeśli tworzywa sztuczne stykają się z innymi materiałami metalowymi, proces recyklingu może być bardziej złożony lub w ogóle mogą one nie podlegać recyklingowi. W związku z tym istnieje wiele możliwości ulepszeń w zakresie opracowania wydajnego i wyrafinowanego procesu recyklingu oraz zasad dotyczących części drukowanych.

Nie wszystkie tworzywa termoplastyczne i ich kompozyty mogą być stosowane do produkcji filamentów, ponieważ muszą one spełniać specyficzne wymagania. W przypadku filamentów amorficzne tworzywa termoplastyczne są lepsze niż polimery krystaliczne. Niedokładność wymiarowa i wypaczanie części drukowanych zmniejszają się przy stosunkowo mniej lepkich włóknach. Z drugiej strony, w przypadku filamentu o dużej lepkości, może wystąpić zablokowanie dyszy głowicy drukarki 3D. Kruche włókna mają większą szansę na pęknięcie. Wysoka elastyczność włókna może być powodem wyboczenia włókna. W filamentach kompozytowych jednorodna dyspersja zbrojenia jest niezbędna do zapewnienia produkcji wysokiej jakości części. Podczas przygotowywania kompozytów można dodawać różne dodatki dyspergujące, aby uzyskać jednorodny rozkład zbrojenia. Adhezja między osnową a zbrojeniem ma zasadnicze znaczenie dla poprawy wytrzymałości i zmniejszenia zawartości pustych przestrzeni. Siła wiązania zależy od stosunku powierzchni do objętości, wielkości cząstek, długości włókien oraz właściwości osnowy i wzmocnienia. Wiadomo, że siła wiązania jest niska między materiałami hydrofobowymi i hydrofilowymi. Różne rodzaje środków sprzęgających można mieszać z matrycą i zbrojeniem w celu poprawy przyczepności. Dodatkowo, chemiczne i fizyczne procesy obróbki powierzchni oraz inne środki powierzchniowo czynne mogą być stosowane do aktywowania powierzchni w celu uzyskania silniejszych właściwości wiążących przed etapem mieszania z matrycą. Powszechnie wiadomo, że dodatki mają znaczący wpływ na właściwości kompozytów.

W kompozytach cząsteczkowych wielkość cząstek i proporcja cząstek mają zasadnicze znaczenie dla właściwości części. Wielkość i stosunek cząstek należy dobierać ostrożnie, aby uniknąć zatkania dyszy drukarki. Oprócz cząstek o jednym rozmiarze, należy dokładnie przeanalizować jakość włókna i właściwości części z cząstek o różnych rozmiarach. Kompozyty hybrydowe, które składają się z trzech lub więcej faz, są rzadko stosowane w celu opracowania filamentów. Krótkie i ciągłe włókna mogą być stosowane razem jako wzmocnienia z matrycą polimerową w celu stworzenia hybrydowych włókien kompozytowych. Kombinacje materiałów są nieskończone, co przekłada się również na otwarte pole do innowacji.

Proces przygotowania filamentu ma znaczący wpływ na dyspersję wzmocnień, zachowanie wielkości cząstek oraz jakość filamentów. Cząsteczki i krótkie włókna mogą pękać podczas mieszania osnowy i zbrojenia, a właściwości części mogą ulec pogorszeniu z tych powodów. Dobór procesu mieszania i procesu przygotowania filamentu powinien przykuwać większą uwagę.


Jednym z największych wyzwań związanych z przyjęciem wytwarzania przyrostowego jako komercyjnej metody produkcji jest dostępność odpowiednich materiałów. Wymagania, takie jak właściwości mechaniczne, przewodność cieplna, przewodność elektryczna dla rzeczywistych zastosowań, mogą nie być spełnione przez części wyprodukowane w procesie druku 3D. Niezbędne jest poszukiwanie nowych materiałów do produkcji filamentów, aby zwiększyć zastosowanie druku 3D w różnych dziedzinach. Kompozyty z matrycą polimerową jako filament mogą być realną opcją dla drukowanych części funkcjonalnych. Wiele rodzajów wzmocnień, takich jak cząstki, włókna i nanocząsteczki, można stosować z tworzywami termoplastycznymi w celu poprawy właściwości części konstrukcyjnych, takich jak dokładność wymiarowa i właściwości wytrzymałościowe kompozytów z osnową polimerową. Wraz z czystymi tworzywami termoplastycznymi i kompozytami, biotworzywa i ich kompozyty mogą być używane jako przyjazne dla środowiska opcje włókien. Matryca polimerowa i jej wzmocnienia, oba lub jedno z nich, mogą być organiczne, naturalne i pochodzenia biologicznego. Matryce i wzmocnienia pochodzenia biologicznego przyciągają w ostatnich latach uwagę naukowców i przemysłowców ze względu na ich niski koszt i właściwości przyjazne dla środowiska.

Zobacz także:

Druk 3D części o dużych gabarytach metodą wytłaczania z granulatu.

Postęp w technologii wytłaczania dwuślimakowego skoncentrowany na mieszaniu.

Wytłaczanie analogów mięsa odpowiedzią na potrzeby konsumentów.

Filament ABS Akrylonitryl-Butadien-Styren.

Biodegradowalne polimery w różnych środowiskach.

Biodegradowalny filament - przyszłość druku 3D.

Polimer PLA jak powstaje i jakie ma właściwości użytkowe?

Popularne materiały (filamenty) termoplastyczne stosowane w drukowaniu 3D.

Produkty farmaceutyczne wytwarzane metodą wytłaczania.

Jaki i gdzie kupić filament - baza wiedzy o filamentach do druku 3D?

X

Poproś o kontakt

Imię i nazwisko:

Nazwa Firmy

e-mail

Telefon

Treść:


chat logo
Zadzwoń