Статьи

ABS-пластик для 3D-печати

Высокая прочность ABS-пластика позволяет использование в производстве несущих элементов

ABS-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол, АБС) – ударопрочный термопластик, завоевавший высокую популярность в промышленности и в аддитивном производстве.

Отличные механические и физические свойства ABS-пластика обуславливают возможность применения этого материала для создания всевозможных объектов, имеющих практическую ценность. ABS-пластик широко применяется в автомобильной, медицинской и сувенирной промышленности, в производстве спортивного инвентаря, сантехники, банковских карт, мебели, игрушек и др.

Относительно невысокая стоимость ABS-пластика и сравнительная легкость использования в качестве расходного материала привели к высокой популярности ABS среди энтузиастов 3D-печати. ABS-пластик является одним из наиболее популярных материалов для печати методом послойного наплавления (FDM/FFF).

Безопасность ABS-пластика

ABS-пластик относительно безопасен и не предоставляет угрозы в нормальных условиях. Тем не менее, нагревание ABS приводит к выделению токсичных паров акрилонитрила, что означает необходимость элементарных предосторожностей при 3D-печати. Объем испарений, как правило, невелик ввиду относительно медленного расхода материала при FDM-печати. Для обеспечения полностью безопасных условий требуется лишь хорошая вентиляция помещения или вытяжка. Стоит также иметь в виду, что ABS-пластик вступает в реакцию с этанолом, что приводит к выделению стирола.

Не следует использовать готовые изделия из ABS для хранения горячей пищи и напитков, либо алкоголя при любой температуре.

Технические характеристики ABS-пластика

Температура стеклования Около 105°C
Прочность на изгиб 41 МПа
Предел прочности на разрыв 22 МПа
Модуль упругости при растяжении 1627 Мпа
Относительное удлинение 6%
Усадка при охлаждении До 0,8%
Плотность материала Около 1,05 г/см³


Стоить иметь в виду, что фактические параметры ABS-пластика для 3D-печати будут зависеть от спецификаций производителя. Во многих случаях ABS смешивается с другими термопластиками (например, полистиролом), что приводит к изменению температуры экструзии, устойчивости к определенным растворителям и пр.

Преимущества и недостатки ABS-пластика

Основным недостатком ABS-пластика можно считать относительно низкую устойчивость к прямому воздействию солнечного света. Кроме того, потенциальная токсичность материала несколько ограничивает применение в производстве игрушек, пищевой тары и медицинских инструментов.

Широкий выбор цветов наглядно демонстрируется кирпичиками Lego, производимыми из ABS-пластика

В то же время, ABS-пластик имеет целый ряд положительных качеств:

  • Практически неограниченная цветовая гамма
  • Влагостойкость
  • Кислотостойкость
  • Маслостойкость
  • Относительно высокая теплостойкость, достигающая 115°C у некоторых марок материала
  • Нетоксичность при относительно низких температурах и при отсутствии воздействия алкоголя
  • Повышенная ударопрочность
  • Высокая эластичность
  • Высокая долговечность в отсутствие прямого солнечного света
  • Легко поддается механической обработке
  • Хорошая ценовая доступность
  • Высокая растворимость в ацетоне


Использование в 3D-печати


Результат обработки модели из ABS-пластика парами ацетона

Печать ABS-пластиком сопряжена с определенными технологическими трудностями ввиду достаточно высокой склонности к усадке, то есть к потере объема при охлаждении. Как следствие, возможно образование деформаций и расслоение моделей. Этот момент учитывается производителями, оптимизирующими 3D-принтеры для печати ABS за счет установки подогреваемых рабочих платформ и обеспечения той или иной степени климатического контроля в рабочей камере. Некоторые методы борьбы с деформациями описаны в разделе «Как избежать деформации моделей при 3D-печати».

Помимо возможности механической обработки, ABS легко растворяется в ацетоне и в некоторых других растворителях, что позволяет производить достаточно крупногабаритные модели из составных частей путем склеивания. Кроме того, обработка готовых моделей парами ацетона позволяет сглаживать внешние поверхности и достигать полной герметичности. Подробнее об обработке ацетоном можно узнать в разделе «Обработка распечатанных 3D-моделей».

PLA-пластик для 3D-печати

Состав пластика

   PLA-пластик (полилактид, ПЛА) - является биоразлагаемым, биосовместимым, термопластичным алифатическим полиэфиром, структурная единица которого - молочная кислота.

ПЛА-пластик производят из кукурузы или сахарного тростника.

Сырьем для получения служат также картофельный и кукурузный крахмал, соевый белок, крупа из клубней маниока, целлюлоза.

На сегодняшний день полилактид активно используется в качестве расходного материала для печати на 3D-принтерах.
Безопасность PLA-пластика


Натуральное природное сырье в составе PLA-пластика позволяет без угрозы для здоровья человека применять его для различных целей.

При изготовлении ПЛА-пластика значительно сокращаются выбросы углекислого газа в атмосферу по сравнению с изготовлением «нефтяных» полимеров. На треть уменьшается использование ископаемых ресурсов, применение растворяющих веществ не требуется вообще.

Как правило, PLA-пластик поставляется в виде тонкой нити, которая намотана на катушку.
Технические характеристики PLA-пластика


Температура плавления 173-178°C
Температура размягчения 50°C
Твердость (по Роквеллу) R70-R90
Относительное удлинение при разрыве 3,8%
Прочность на изгиб 55,3 МПа
Прочность на разрыв 57,8 МПа
Модуль упругости при растяжении 3,3 ГПа
Модуль упругости при изгибе 2,3 ГПа
Температура стеклования 60-65°C
Плотность 1,23-1,25 г/см³
Минимальная толщина стенок 1 мм
Точность печати ± 0,1%
Размер мельчайших деталей 0,3 мм
Усадка при изготовлении изделий нет
Влагопоглощение 0,5-50%

Преимущества PLA-пластика при 3D-печати

  • нетоксичен;
  • широкая цветовая палитра;
  • при печати нет необходимости в нагретой платформе;
  • размеры стабильны;
  • идеален для движущихся частей и механических моделей;
  • отличное скольжение деталей;
  • экономия энергозатрат из-за низкой температуры размягчения нити;
  • нет необходимости применять каптон для смазывания поверхности для наращивания прототипа;
  • гладкость поверхности напечатанного изделия;
  • получение более детальных и полностью готовых к применению объектов.



PLA-пластик идеален для 3D-печати объектов с тщательной детализацией
Работа PLA-пластиком на 3D-принтере ведется посредством технологии моделирования методом послойного наплавления (FDM-Fused Deposition Modeling). Нить расплавляется, после чего доставляется по специальной насадке на поверхность для работы и осаживается. В результате построения модели расплавленным пластиком создается полностью готовый к применению объект. Изделия из PLA-пластика подвергают шлифованию и сверлению, красят акрилом. Однако стоит помнить, что предмет из ПЛА нужно обрабатывать с осторожностью из-за его хрупкости. Еще одним минусом PLA-пластика является его недолговечность: материал служит от нескольких месяцев до нескольких лет.


PLA-пластик является идеальным материалом для 3D-печати прототипов и изделий, которые не предполагается эксплуатировать длительное время. Это могут быть декоративные объекты, изделия для презентаций и предметы, требующие тщательной детализации.


Расходные материалы для фотополимерной печати

Фотополимерная смола для принтера Formlabs Form 1

При выборе 3D-печатного устройства необходимо рассматривать не только характеристики самого принтера, но и учитывать совместимые расходные материалы. Это правило особенно важно при выборе стереолитографических принтеров. В отличие от термопластиков, используемых для FDM-печати, фотополимерные смолы в основном разрабатываются под конкретные установки. Причем, разработка зачастую осуществляется самими производителями принтеров. Причиной тому служат как технологические особенности конкретных установок (время засветки, скорость печати и пр.), так и предназначение конечных моделей.

Стоить отметить, что фотополимерные смолы могут иметь самые разные физические характеристики: некоторые виды могут напоминать ABS-пластик, а некоторые – иметь эластичность на уровне резины. Доступны различные цвета и смолы с различной прозрачностью в полимеризованном состоянии. Разные смолы имеют разные показатели токсичности. Некоторые смолы могут быть совместимы с различными принтерами, а некоторые заточены под конкретные системы. Все эти факторы определяют выбор печатного оборудования.

Хранение фотополимерных смол требует особого внимания. Дело в том, что длина света, которым может быть осуществлена засветка, варьируется от материала к материалу и не всегда указывается производителями.

Простая ультрафиолетовая печь для окончательной засветки фотополимерных моделей

Несмотря на то, что смолы обычно поставляются в затемненных контейнерах, лучше всего хранить такие материалы в темном и прохладном месте – повышенная температура также может привести к частичной полимеризации, что негативно скажется на качестве последующей печати. Неизрасходованную смолу не стоит оставлять в кювете принтера в течение продолжительного времени. Лучше всего слить материал обратно в упаковочный контейнер.

При обращении с фотополимерными смолами необходимо принимать основные меры предосторожности, использовать защитные очки и перчатки. Хотя сами смолы могут быть нетоксичны, зачастую требуется промывка готовых моделей растворителями, которые представляют опасность здоровью.

Наряду с со стереолитографическими принтерами (SLA и DLP), фотополимерные смолы используются в принтерах многоструйной печати (MJM).

Последние, как правило, не требуют окончательной засветки моделей ввиду технических особенностей процесса. Если же модель не полностью полимеризована, для засветки применяются ультрафиолетовые камеры, оснащенные обычными УФ-лампами.

Как вариант, окончательную засветку можно произвести просто под прямым воздействием солнечных лучей.

Имитаторы металлов (BronzeFill)

Металлы привлекают сторонников аддитивного производства с ранних дней технологий 3D-печати. К сожалению, печать чистыми металлами и сплавами вызывает массу трудностей, непреодолимых для большинства методов 3D-печати. Полностью функциональные металлические изделия можно произвести только с помощью таких технологий, как SLS, DLMS или EBM, требующих использования промышленных установок, чья стоимость исчисляется сотнями тысяч долларов. В то же время, имитаторы металлов успешно используются в струйной 3D-печати (3DP), где формирование изделий происходит из металлических порошков, частицы которых скрепляются наносимым связующим материалом. В FDM/FFF печати металлические имитаторы лишь появляются на свет.

Интересным примером служит BronzeFill – фактически, прозрачный PLA-пластик с наполнителем из микрочастиц бронзы. Материал, в настоящее время проходящий бета-тестирование, должен доказать пригодность для использования в любых принтерах, предназначенных для работы с полилактидом.

Готовые изделия легко поддаются полировке, достигая высокого внешнего сходства с цельнометаллическими изделиями. В то же время стоит учитывать, что связующим элементом материала является термопластик, с соответствующими механическими и температурными ограничениями.

Имитаторы песчаника (Laybrick)

Композитный материал от изобретателя Кая Парти, ответственного за создание революционного древесного имитатора LAYWOO-D3. На этот раз Кай нацелился на имитацию песчаника, используя опробованный метод смешивания связующего материала с наполнителем – в данном случае минеральным.

Laybrick позволяет производить объекты с различной текстурой поверхности. При низких температурах экструзии порядка 165°С-190°С готовые изделия имеют гладкую поверхность. Повышение температуры печати делает материал более шершавым, вплоть до высокой степени сходства с натуральным песчаником при температуре экструзии свыше 210°С.

Материал легок в работе, не требуя подогрева рабочей платформы, не демонстрируя существенных деформаций при усадке и не производя токсичные испарения при нагревании. Единственным недостатком можно считать достаточно высокую стоимость материала, что в немалой степени обуславливается ограниченным производством.

Древесные имитаторы (LAYWOO-D3, BambooFill)

LAYWOO-D3 – недавняя разработка, предназначенная для печати моделей, напоминающих деревянные изделия. Материал на 40% состоит из натуральных древесных опилок микроскопического размера и на 60% из связующего полимера. LAYWOO-D3 весьма прост в обращении, будучи практически неподверженным деформациям и не требуя использования подогреваемой платформы. Согласно производителям, полимер нетоксичен и полностью безопасен. 

Уникальные свойства материала позволяют добиваться различных визуальных результатов при печати с разными температурами сопла. Диапазон рабочих температур составляет 180°С-250°С. По мере увеличения температуры экструзии, оттенок материала становится прогрессивно более темным, позволяя имитировать разные сорта древесины или годовые кольца.

Готовые модели прекрасно поддаются механической обработке – шлифовке, сверлению и пр. Кроме того, изделия легко окрашиваются, а неокрашенные модели даже имеют характерный древесный запах.

К сожалению, стоимость материала почти в четыре раза превышает цену на такие популярные материалы, как PLA и ABS-пластики. По мере прогнозируемого роста популярности, материал должен стать более доступным.

В настоящее время ведется разработка и тестирование альтернативных материалов, таких как BambooFill от голландской компании ColorFabb.

Ударопрочный полистирол (HIPS)

Ударопрочный полистирол широко используется в промышленности для производства различных бытовых изделий, строительных материалов, одноразовой посуды, игрушек, медицинских инструментов и пр.

При 3D-печати полистирол демонстрирует физические свойства, весьма схожие с популярным ABS-пластиком, что делает этот материал все более популярным среди 3D-умельцев. Наиболее же привлекательной особенностью полистирола является отличие от ABS в отношении химических свойств: полистирол достаточно легко поддается органическому растворителю Лимонену. Так как на ABS-пластик Лимонен эффекта не имеет, возможно использование полистирола в качестве материала для построения растворимых поддерживающих структур, что исключительно полезно при построении сложных, переплетенных моделей с внутренними опорами. В сравнении с удобным, водорастворимым поливиниловым спиртом (PVA-пластиком), полистирол выгодно отличается относительно низкой стоимостью и устойчивостью к влажному климату, затрудняющему работу с PVA.

Стоит иметь в виду, что некоторые производители ABS-пластика подмешивают в свои расходные материалы несколько более дешевый полистирол. Соответственно, модели из таких материалов могут раствориться в Лимонене вместе с опорными структурами.

При нагревании полистирола до температуры экструзии возможно выделение токсичных испарений, в связи с чем рекомендуется осуществлять печать в хорошо проветриваемых помещениях.

Полиэтилентерефталат (PET, ПЭТ)

Полиэтилентерефталат – под этим сложным названием скрывается материал, используемый для производства пластиковых бутылок и другой пищевой и медицинской тары.

Материал имеет высокую химическую устойчивость к кислотам, щелочам и органическим растворителям. Физические свойства ПЭТ также впечатляют высокой износоустойчивостью и терпимостью к широкому диапазону температур – от -40°С до 75°С. Кроме всего прочего, материал легко поддается механической обработке.

Печать с использованием ПЭТ несколько проблематична, ввиду сравнительно высокой температуры плавления, достигающей 260°С и значительной усадки при остывании, составляющей до 2%. Использование ПЭТ в качестве расходного материала требует примерно тех же условий, что и печать ABS-пластиком.

Для достижения прозрачности моделей необходимо быстрое охлаждение при прохождении порога стеклования, составляющего 70°С – 80°С.

Материал стал предметом внимания 3D-умельцев, использующих использованную тару в качестве сырья для бытового производства расходных материалов для 3D-печати. Для изготовления нитей используются такие перерабатывающие устройства, как FilaBot или RecycleBot.

Полиметилметакрилат (Acrylic, оргстекло, акрил, ПММА)

Полиметилметакрилат – это всем известное органическое стекло. Материал прочен, влагоустойчив, экологичен, легко поддается склеиванию, достаточно пластичен и устойчив к воздействию прямого солнечного света.

К сожалению, акрил плохо подходит для FDM/FFF печати в силу ряда причин. Акрил плохо хранится в виде катушек с нитью, так как постоянное механическое напряжение приводит к постепенному разрушению материала. Во избежание образования пузырьков разрешение печати должно быть высоким – с точностью, практически недоступной для домашних принтеров. Быстрое застывание акрила же требует жесткого климатического контроля рабочей камеры и высокой скорости печати. Опять-таки, показатели скорости печати FDM/FFF принтеров обратно пропорциональны разрешению печати, что усугубляет проблему.

Тем не менее, попытки печати акрилом предпринимаются, а некоторые из них дают относительно положительные результаты. Однако при создании достаточно прочных моделей избежать образования пузырьков и достигнуть привычной прозрачности материала пока не удается. На данный момент наилучшие результаты с акрилом показывает другая технология печати – многоструйное моделирование (MJM) от компании 3D Systems. В данном случае используется фотополимерный вариант акрила. Значительных успехов достигла и компания Stratasys, использующая собственный фотополимерный имитатор акрила VeroClear на принтерах марки Objet Eden. Остается надеяться, что высокий спрос на акрил приведет к появлению композитных материалов на основе полиметилметакрилата, предназначенных специально для FDM/FFF печати.