Všetko, čo potrebujete vedieť pri výbere materiálov pre 3D tlač: rady a odporúčania od cotu s.r.o.

V začiatkoch bola stereolitografia pre bežných používateľov nedostupná. Drahé 3D tlačiarne a materiál boli hlavnými prekážkami, pričom materiál bol navyše krehký a náchylný na rýchle starnutie, čo ho predurčovalo iba na prototypovanie.

V nedávnej dobe sa však tieto prekážky začali odstraňovať. Vďaka lacným LCD konštrukciám sa stereolitografické tlačiarne rozšírili aj medzi širšou verejnosťou. Napriek tomu zostáva príprava 3D tlačových dát niekedy problematická. Ak je však diel správne orientovaný, výsledok stojí za to.

Kľúčovou otázkou však zostáva: Je možné pomocou stereolitografie produkovať funkčné plastové diely? Tento článok Vám odkryje časť problematiky pri výbere vhodného materiálu a snáď trochu osvetlí ich nemalý potenciál pre našu budúcnosť.

Súčasný vývoj fotopolymérov

Vďaka modernej organickej chémii sa materiály pre stereolitografiu v posledných rokoch výrazne zdokonalili. Prvotné materiály boli krehké, posledné generácie sú však výrazne odolnejšie a úplne nahrádzajú termoplasty. 

Prvá generácia, ktorú sme začali používať v roku 2014, bola založená na monoméroch z fosílnych zdrojov. Tieto monoméry boli toxické a rizikové tak vo svojej nevytvrdenej forme, ako aj po vytvrdení. Lepkavý povrch a alergické reakcie boli častými problémami. Preto odporúčame vždy si prezrieť sekciu Výstražné upozornenia a venovať pozornosť bezpečnostným piktogramom v dokumente nazvanom MSDS - po česky bezpečnostný list. Mnohí výrobcovia vyrábajú tieto toxické materiály dodnes, hoci sú si dobre vedomí ich nedostatkov. Tieto materiály sú často lacné a ľahko dostupné na trhu. Ich tekutá konzistencia umožňuje jednoduchú tlač, ale bohužiaľ majú významné nedostatky. Sú krehké a deformujú sa pomerne rýchlo, čo obmedzuje ich využitie na prototypovanie.

Druhá generácia materiálov, založená na obnoviteľných zdrojoch, sa objavila v roku 2018. Tieto materiály, zložené z väčších "súčiastok" (oligomérov), sú hustejšie, a aby boli tlačiteľné, vyžadujú ohrev. Ich výrazne dlhšia odolnosť a UV stálosť umožnili ich využitie aj v sériovej výrobe. Ich odolnosť je porovnateľná s plexisklom; ani pri páde z dvoch metrov sa nerozbijú. Dosiahol sa vývoj materiálov, ktoré pripomínajú vlastnosti ABS, PP a prvej generácie pružných gumových materiálov.

V roku 2021 bol schválený rad patentov, čo viedlo k vývoju tretej generácie "bezmonomérových" materiálov. Tieto materiály, založené na oligoméroch a makroméroch sú prírodné, vysoko biokompatibilné a vykazujú vysokú odolnosť. Tlač s týmito materiálmi na 3D tlačiarňach nižšej triedy môže byť náročná, ale s trochou úsilia uskutočniteľná. V profesionálnom prostredí poskytuje spoľahlivejšie výsledky vyššia trieda tlačiarní DLP, vybavená ohrevom a senzormi, ktoré sledujú hrúbku každej vrstvy. Tieto materiály sú mimoriadne odolné a znesú pád aj z viac ako štyroch metrov. Výsledkom sú mechanicky odolné materiály podobné POM, Nylonu, PA12, PEEK a funkčné gumové materiály odolné proti oderu.

cena vs. generácia

Využitie v priemysle a otázka odolnosti

Zatiaľ čo väčšina SLA materiálov rýchlo degraduje a mení svoje vlastnosti, najkvalitnejšie materiály si udržiavajú svoje mechanické vlastnosti aj počas 5 a viac rokov. Existujú materiály s rôznymi vlastnosťami, vrátane húževnatých, rigidných, super tvrdých, flexibilných gumových, priehľadných, vysoko teplotne odolných a kompozitov. Novodobé materiály sa často podobajú konvenčným plastom ako je ABS, PP, POM, Nylon, PA12, PEEK a možno pri nich dosiahnuť odolnosť obdobnú termoplastom.

rozbitnosť - rázová húževnatosť vs. generácia

Niektoré materiály obsahujú prímesi ako keramika, minerálne alebo uhlíkové vlákna, alebo grafén. Existujú aj špeciálne rady, ako sú samozhášavé (UL94 V0), elektricky vodivé alebo ESD materiály a to, čo hotové materiály neponúkajú, možno namiešať na mieru.

Veľkou témou je aj následné spracovanie, ktoré má zásadný vplyv na mechanickú odolnosť dielov. Správne čistenie je kľúčové na zabezpečenie húževnatosti a nerozbitnosti materiálov. Je nevyhnutné dodržiavať odporúčané postupy uvedené v produktovom liste alebo v dokumente IFU (pokyny na použitie), kde výrobcovia opisujú vhodné metódy čistenia a vytvrdzovania tlačených dielov. Napríklad iba odvetraním počas jednej hodiny po čistení možno zvýšiť odolnosť až o 30%. 

Odolnosť ovplyvňuje aj samotný dizajn súčiastky. Stereolitografia typu DLP a LCD tlačí vnútorné uhly také ostré, ako sú definované v návrhu. Tieto ostré uhly môžu byť slabým miestom, a preto je vhodné ich zaobliť, aby nedochádzalo k ich praskaniu.

Táto problematika je rozsiahla a nemožno ju kompletne pokryť v rámci tohto článku. Radi sa s vami preto podelíme o ďalšie skúsenosti a poznatky v ďalších publikáciách.

Čo hľadať v materiálovom liste

Pri väčšine materiálov by ste po materiálovom liste pátrali zbytočne. Niektoré značky materiálov si však uvedomujú, že vstup do priemyselnej výroby vyžaduje určité garancie. Preto ponúkajú materiály s prepracovaným materiálovým listom. Ten obsahuje nielen základné mechanické vlastnosti, ale aj dôležité informácie o účele použitia, odolnosti, pracovnej teplote, nasiakavosti, biokompatibilite a elektrotechnických vlastnostiach.

Jedným z najdôležitejších faktorov pre používateľa je zmena mechanických vlastností v priebehu času. Niektoré materiálové listy preto uvádzajú testy starnutia vplyvom tepla, počasia (slnko, teplotné výkyvy a vlhkosť) a správania materiálu v chemickom prostredí.

Otvorený prístup k materiálom

Mnohí výrobcovia 3D tlačiarní si uvedomili, že je lepšie sa plne zamerať na zdokonaľovanie svojich zariadení než sa pokúšať byť aj výrobcami materiálov. Preto otvorili svoje systémy a umožnili svojim zákazníkom využívať výhody priemyselných materiálov iných značiek.

Spoločnosť BASF ponúka materiály so strednou odolnosťou, ktoré sú ľahko tlačiteľné aj na LCD tlačiarňach nižšej triedy a dosahujú dobré rozlíšenie. Sú síce lacné, avšak majú vyššiu toxicitu.

Značka Loctite vyrába bezpečnejšie materiály, ktoré sú síce drahšie, ale výsledok vždy stojí za to. Tieto materiály sú lepšie tlačiteľné pri vyššej teplote a väčšom svetelnom výkone, ktoré majú najmä DLP tlačiarne. S trochou úsilia však fungujú aj na LCD tlačiarňach nižšej triedy.

Materiály značky Evonik sú veľmi dobre tlačiteľné na všetkých typoch tlačiarní, sú vysoko odolné a vyžadujú dodatočné tepelné vytvrdenie.

Značka Liqcreate ponúka drahšie, ale ekologické materiály so strednou odolnosťou, ktoré možno tlačiť aj na LCD tlačiarňach nižšej triedy.

Core Alpha je najodolnejším materiálom, vyžaduje však náročný proces 3D tlače a špeciálne zariadenie na vytvrdenie v teple vo vákuu. Tento materiál nie je pre výrobu ľahko použiteľný.

Záver

Materiály pre stereolitografiu prechádzajú v posledných rokoch obdobím renesancie a ponúkajú rad výhod. Oproti iným technológiám disponujú oveľa rozmanitejším portfóliom materiálov, ktoré sú detailne opísané a umožňujú individuálne prispôsobenie našim potrebám.

Aj napriek tomu, že sú tieto materiály drahšie, technológia je kompaktná, má nízku energetickú náročnosť a je vysoko produktívna. Investície do spoľahlivej a výkonnej 3D tlačiarne vyššej triedy nepresahujú sumu milióna korún. Tieto tlačiarne majú životnosť približne dekádu a vyžadujú minimálny servis. Dochádza k postupnej automatizácii, zjednodušeniu povrchových úprav vytlačených dielov a optimalizácii dielov nielen odľahčením.

V mnohých prípadoch je teda rozumné zvážiť alebo si začať osvojovať nahradenie konvenčných výrobných metód touto technológiou. Pri zavádzaní do praxe je dôležité spolupracovať s predajcom, ktorý má skúsenosti s výrobou a dokáže vás viesť touto problematikou bez časových a finančných strát.

Chcete zhmotniť svoj nápad? Kontaktujte nás a získajte profesionálne poradenstvo v oblasti SLA 3D tlače. Navrhneme najvhodnejší materiál, postaráme sa o kompletnú výrobu vášho produktu alebo vám dodáme a pomôžeme integrovať výrobný postup vrátane technológie.

Zistite viac o našich službách 3D tlače, preskúmajte ponúkané poradenstvo alebo si rovno dohodnite stretnutie.