Пластик похожий на металл

Обновлено: 06.07.2024

Вот сижу я на работе и дума, сколько нас окружает вещей о появлении которых мы даже не задумываемся. И на волне решил запилить пост про литье изделий из пластмассы. Этот пост будет чисто поверхностным, если зайдет начну разбирать по порядку каждую тему затронуты здесь. Расскажу сперва немного о себе. По образованию я инженер машиностроения, когда я получал этого образование я думал, вот буду машины строить, проектировать, вводить новшества. Но, чем дольше я учился тем больше понимал, что это гиблое дело. Нет в нашей стране машиностроения просто как вида. Все заводы в упадке и погрязли в бюрократии которая не дает им шагать вперед. Очень долго рассказывать, как ни будь может пост запилю и об этом. А к данному посту это имеет отношение лишь то, что после окончания универа стал я искать работу не связанную с машиностроением.

Оказалось что найти работу с такой узкой специализацией не так просто. Но однажды мне на глаза в газете попалось объявление о вакансии наладчика ТПА (термопласт автомат). Ну а что, подумал я, какая разница лить в формы под давлением пластмассу или металл, процесс та тот же и пошёл на собеседование. Не буду вдоваться в подробности, скажу лишь, что моему техническому образованию обрадовались и согласились обучить и платить.

Теперь к самому содержанию поста. Как и многие из тех кто сейчас читает этот пост, я не задумывался как получилась та или иная пластмассовая фиговина на которую я смотрю. После того как я стал работать наладчиком я осознал на сколько мы зависимы от пластика. 80% всего пластмассового сделано на ТПА, начиная от миски, до колпаков на машине или игрушечного автомата. Я стал замечать пластик везде, стал думать как делалась та или иная фиговина, это стало моим проклятием =) Просто посмотрите вокруг себя, выключатель, телефон, ноутбук, вентилятор, чайник. это же все из пластика, он повсюду

Сам процесс литья логически прост. Вы когда ни будь лепили куличики?)) Берется форма из металла и только из него, поймете потом почему. Они бывают разными от нескольких сантиметров, до нескольких метров

Форма внутри повторяет внешнюю форму изделия, как форма для куличиков. Сама форма состоит из нескольких "слоев" позволяющие ей работать в купе с машиной в автомате. Если пост зайдет, отдельно напишу как она устроена. Ниже фото форма изнутри и "отпечаток" на изделии от матрицы.

Дальше эта форма вешается на ТПА. Их просто неимоверно колличество. О машинах так же можно запилить целый пост. У нас стоят Демаги (немцы) и катьяны (китайцы). Немцы уже старые, но служат исправно, сыпятся, но служат. Закрепляется форма на машине с помощью прихватов и центруется на плите с помощью центровочных колец самой формы. Дальше производиться настройка машины под форму (целый пост можно написать). Форма состоит из двух частей - самцы и пуансона, пуансон это движущаяся часть формы, матрица нет. Обе части фото образующие, разделена она на две части что бы можно было вынуть изделие. Совещание этих двух частей происходит под давлением нескольких, а иногда и сотен тонн, именно поэтому их делаю только из металла. Такая сила нужна потому что впрыск материалов так же происходит под огромным давлением, и если форма не достаточно сильно сомкнута, то ее просто раскроет. А во-вторых форма должна быть так сильно сомкнута, что бы Не было ни каких лишних отверстий и трещин, иначе пластик затечет и туда,и будет брак (облой). Форма сомкнута - начинается литье изделия. В общих чертах у машины есть узел впрыска это такая длинная труба внутри который находится шнек (ледоруб).

Из оранжевого резервуара в узел впрыска поступает материал,а именно гранулированный полипропилен, абс, резина и т.д. там он захватывается шнеком и проталкивается к соплу одновременно с этим нагреваясь до температуры плавления для полипропилена это 200-230 градусов. Кольца на узле это нагревательные элементы, они нагревают корпус шнека до нужной температуры. Во время забора материала (загрузки) шнек вращается и отходить назад, нагоняя между собой и отверстием сопла материал. После загрузки, машины готова к впрыску, во время впрыска, шнек сдвигается вперед выдавливая острым концом материал через сопло в форму и тот,в свою очередь, заполняет ее изнутри создавая изделие. Дальше изделие насколько секунд остывает в форме (кристаллизуется), форма раскрывается и изделие выталкивается из формы, способов изъятия изделия из формы множество от жесткого выталкивателя, до воздушных клапанов и плит съема.

Но это все в очень кратком содержании, по-настоящему эта тема очень обширна и имеет кучу нюансов и проблем. Решил этим постом прощюпать почву и понять интересно ли вообще это кому. Если не утонет в минусах, опишу каждый этап производства подробнее. И пару фото изделий. За ошибки и фото не пинайте, все с телефона, в рабочее время =)

Металлизации пластмасс: разновидности технологий и их особенности

Металлизация пластика, которая выполняется преимущественно электрохимическим методом, позволяет значительно усилить устойчивость полимерных материалов к механическим повреждениям, воздействию высокой влажности и повышенной температуры. Немаловажным является и то, что изделия, для изготовления которых был использован металлизированный пластик, весят значительно меньше, чем аналогичные детали из чистого металла.

Хромированный пластиковые детали автомобиля — распространенный пример металлизации пластмассы

Химическая металлизация пластмасс активно используется для производства световых фильтров, катализаторов, печатных плат, заготовок для дальнейшей гальванизации, а также многого другого.

Как выполняется металлизация изделий из пластика

Такие разнородные материалы, как металл и пластик, имеют различные коэффициенты теплового расширения. В связи с этим при нанесении слоя металла на полимерный материал не избежать возникновения внутренних напряжений, стабилизировать которые позволяет подслойная поверхность. Для ее создания обычно используют медь. Когда предварительное меднение пластикового изделия выполнено, на него наносится финишный слой никеля или хрома.

Структура покрытия, полученного в результате металлизации пластика, может формироваться из нескольких слоев, в качестве которых могут выступать:

блестящий медный слой;
медный слой с матовой поверхностью;
полублестящий никелевый слой;
никелевый слой с блеском;
никелевый слой с матовой поверхностью;
конверсионный слой.

Типы наносимых на пластик многослойных гальванических покрытий

Наносимый на пластиковое изделие металлизированный слой может иметь не только различную структуру, но и различные декоративные характеристики. Так, это может быть покрытие велюрового, блестящего, осветленного, патинированного, черненого и других типов. Выполняют металлизацию пластика не только для улучшения его декоративных характеристик, но также для того, чтобы продлить срок его эксплуатации. В частности, никель, нанесенный на пластиковое изделие, обжимает его поверхность, тем самым способствуя ее укреплению.

В зависимости от того, для чего осуществляют металлизацию пластика, выполняют ее с применением электролитических растворов различного типа. Такими растворами могут быть:

электролиты для выполнения блестящего меднения;
электролитические растворы для покрытия поверхности пластиковых изделий никелем;
растворы, при помощи которых создаются покрытия с вкраплением твердых частиц, или покрытия велюрового типа.

Никелированные гальваническим способом детали

Металлизировать пластиковое изделие можно не только хромом и никелем, но и цинком и оловом. При помощи пленок из данных металлов, наносимых на пластиковую поверхность после ее пассивирования, обрабатываемая деталь защищается от негативного воздействия повышенной влажности и образования налета.

Поскольку металлический подслой, создаваемый на пластиковой поверхности, отличается не слишком высокой электропроводностью, процедуру электрохимической металлизации пластика проводят с использованием тока небольшой плотности (0,5–1 А/дм 2 ). Если применять ток более высокой плотности, это приведет к возникновению биполярного эффекта, что в свою очередь вызовет растворение подслоя в том месте, где изделие соединено с проводом, подводящим к нему электрический ток. Чтобы не столкнуться с таким негативным явлением, на сформированный подслой наносят дополнительный слой меди или никеля, причем делается это с использованием тока небольшой плотности. Последующую металлизацию пластика выполняют на обычных режимах.

Особенности нанесения металлических покрытий методом гальваники

Металлизацию пластика с помощью гальванического способа проводят в достаточно плотных электролитических растворах. Устойчивое положение обрабатываемым изделиям, находящимся в таких растворах, обеспечивают подвешиванием специальных утяжелителей.

Схема нанесения гальванического покрытия

Чтобы сформировать на поверхности пластикового изделия качественное гальваническое покрытие, необходимо также большее количество контактов, через которые на подслой обрабатываемой детали подается электроток. Перед металлизацией пластика надо выполнить несколько достаточно сложных процедур, которые обеспечат хорошую адгезию пластика с наносимым металлизированным слоем.

Сущность адгезии и влияющие на нее факторы

Адгезия, как известно, является характеристикой качества сцепления разнородных материалов между собой. Чтобы сцепление между пластиковой основой и металлическим покрытием было качественным, прочность покрытия на отслаивание должна соответствовать 0,8–1,5 кН/м, а на разрыв – 14 МПа. Современные технологические методы металлизации пластика позволяют добиваться адгезии, величина которой доходит до 14 кН/м.

На сегодняшний день не существует ни одной теории, которая бы могла точно объяснить все нюансы сцепления разнородных материалов между собой. Если ориентироваться на химическую природу адгезии, то она возникает вследствие химических взаимосвязей разнородных материалов. В частности, при металлизации полимерных материалов такие связи появляются между функционально активными группами, имеющимися на поверхности пластика, и наносимым на нее металлом.

Виды разрушений адгезионных соединений

Существует и молекулярная теория, согласно которой адгезия между разнородными материалами возникает вследствие того, что на межфазной поверхности присутствуют межмолекулярные силы, которые и способствуют сцеплению. По этой же теории, адгезия определяется взаимодействием двух полюсов или возникновением водородных связей между разнородными материалами.

Согласно электрической теории, причиной адгезии является двойной электрический слой, появляющийся при взаимодействии пары тел. В таком слое, который не дает телам отходить друг от друга, формируются электростатические силы притяжения положительных и отрицательных зарядов.

Наиболее признанной среди специалистов является диффузная теория, согласно которой адгезия возникает вследствие формирования межмолекулярных связей между разнородными материалами. В результате на границе соприкосновения двух материалов формируется новый промежуточный слой, и такая граница фактически стирается.

Существует еще и механическая теория, которая объясняет, что адгезия возникает вследствие анкерного сцепления между выступающими частями наносимого покрытия и углублениями в основном материале. В результате такого сцепления образуются так называемые механические замки, которые и обеспечивают адгезию.

Для прочного осаждения металла необходима благоприятная структура поверхности пластика

На качество адгезии при металлизации пластика оказывает влияние целый ряд параметров, к которым следует отнести:

прочность пластика;
наличие и количество химически активных групп на поверхности пластика;
наличие промоторов – стимуляторов адгезии, в качестве которых могут выступать пластификаторы, соединения олова и хрома;
отсутствие антипромоторов – элементов, которые могут не только ухудшить качество промежуточного слоя, но даже разрушить его;
структура наносимого металла;
режимы выполнения металлизации.

Цели металлизации пластмасс

Вакуумный метод

Вакуумная металлизация пластмасс используется для того, чтобы нанести на них нихром или алюминий. Для практической реализации такой технологии, как уже понятно из ее названия, необходима специальная камера, в которой создается вакуум. Наиболее активно вакуумную металлизацию пластика применяют для обработки автомобильных деталей, сантехнических и осветительных приборов, пластиковой фурнитуры различного назначения.

Нанесенному таким образом металлизированному покрытию придают высокую твердость и устойчивость к воздействию повышенной влажности, используя специальные лакокрасочные составы.

Как выполнить металлизацию пластика в домашних условиях

Металлизированный пластик можно получить и в домашних условиях. Для этого применяют несколько распространенных методик. Наиболее популярная и доступная из них – химическая, для ее реализации не потребуется специальное оборудование. При помощи данной технологии на поверхность пластика можно нанести тонкий слой меди или серебра, что придаст готовому изделию исключительную декоративность.

Вне зависимости от выбранного способа металлизации обрабатываемую деталь следует очистить от механических загрязнений

Меднение пластика

Металлизацию пластика при помощи меди выполняют в несколько этапов.

Тщательное ошкуривание поверхности, в процессе которого с нее необходимо удалить все выпуклости и другие дефекты. После ошкуривания изделие необходимо обработать абразивным порошком.
Обезжиривание поверхности. Изделия, изготовленные из полиакрилатов, обезжириваются перед металлизацией в растворе каустической соды, в который деталь помещается на сутки. Для обезжиривания полиамидных материалов используется обычный бензин.
Промывка обезжиренного изделия в дистиллированной воде.
Сенсибилизация – процесс формирования на пластике пленки из гидроокиси олова. Для этого изделие на минуту помещают в полупроцентный раствор хлористого олова, на литр которого добавляют 40 граммов соляной кислоты.
Активация поверхности, для которой изделие на 3–4 минуты помещают в раствор азотнокислого серебра.
После активации изделие на 60 минут погружают в раствор для металлизации, состоящий из следующих компонентов: карбоната меди (200 г/л), 90-процентного глицерина (200 г/л), 20-процентной каустической соды (1 литр). Температура такого раствора для металлизации должна составлять 18–25°.

Серебрение пластика

Металлизацию пластика слоем серебра выполняют в следующей последовательности.

Ошкуривание поверхности и ее обработка абразивным порошком.
Промывка изделия мыльным раствором и дистиллированной водой.
Обезжиривание поверхности в растворе, состоящем из ангидрида хрома (100 г/л) и сульфата железа (10 г/л).
Промывка детали в дистиллированной воде.
Сенсибилизация, для выполнения которой используют раствор хлористого олова (2 г/л).
Погружение изделия на 60 минут в раствор, состоящий из следующих компонентов: нитрата серебра (3 г/л), каустической соды (3,5 г/л), 25-процентного аммиака (8 мл/л), глюкозы (2,5 г/л). Температура раствора – 18–25°.

Гальванические серебряные покрытия обладают низкой стойкостью к механическим повреждениям, но хорошо противостоят химическим воздействиям

Если поверхность была недостаточно хорошо обезжирена, то в результате металлизации может получиться покрытие не очень хорошего качества. В таком случае его можно удалить, используя специальный раствор, и повторить всю процедуру заново.

Сформированный на пластике по вышеописанным методикам слой металла лучше всего покрыть защитным лаком. Кроме того, металлизированные таким образом пластиковые изделия можно подвергнуть дальнейшей гальванической обработке (например, выполнить их хромирование или покрыть слоем никеля).

3D печать с металлокомпозитными филаментами

За исключением профессиональных промышленных машин, все 3D принтеры строят объекты из пластика. 3D принтеры могут использовать довольно много разных типов пластика, таких как ABS, PLA и нейлон; и они могут использовать несколько различных технологий для превращения пластикового сырья в детали. Но факт остается фактом, пластмассы являются материалами, доступными для любого настольного 3D принтера. Тем не менее, любители, используя пластиковые филаменты с другими примесями, могут создавать на 3D принтерах детали, которые выглядят и ощущаются как металлические.

Объекты, напечатанные на 3D принтере и выглядящие как металлические

Металлокомпозитные филаменты, иногда называемые филаментами с металлическими наполнителями, содержат примерно 40-60% мелкодисперсного металлического порошка, смешанного с PLA. Их не следует путать с филаментами, которые просто металлического цвета. Металлокомпозитные нити намного тяжелее, чем обычные филаменты PLA. Хотя они выглядят как металл, окисляются и подвергаются атмосферным влияниям как металл, и на ощупь они холодные, ими можно печатать на обычных 3D принтерах.

Эти специализированные филаменты доступны в нескольких различных материалах: медь, бронза, нержавеющая сталь и железо являются наиболее распространенными.

Образцы 3D печати металлокомпозитными филаментами Диаграмма оценки характеристик металлокомпозитных филаментов

С точки зрения производительности и стоимости, металлокомпозитные филаменты для 3D печати не совсем соответствуют обычным пластиковым филаментам. Их главная ценность – внешний вид.

Помимо того, что они выглядят так, будто сделаны из металла, детали, напечатанные из металлокомпозитных нитей, намного тяжелее пластиковых деталей. Это особенно верно для деталей, напечатанных с высокой плотностью заполнения.. Их вес делает детали еще более убедительными относительно использования в качестве полузаменителей для литых металлических предметов.

Слева деталь, напечатанная черным PLA с заполнением 20%. Справа та же модель, напечатанная филаментом ColoFabb Copperfill с заполнением 20%.

Стоимость

Неудивительно, что специализированные филаменты для 3D принтеров, наполненные металлическими порошками, стоят значительно дороже, чем обычные пластиковые нити. Также металлокомпозитные филаменты выпускает ограниченное число производителей.

ColorFabb и ProtoPasta являются двумя крупнейшими и наиболее уважаемыми дистрибьютерами эти специализированных видов сырья. Цена катушки металлокомпозитного филамента зависит от типа металла и качества нити.

Стоимость металлокомпозитных филаментов

Тип филамента	Стоимость (за килограмм)
ColorFabb copperFill (наполнитель – медь)	$73,32
ColorFabb bronzeFill (наполнитель – бронза)	$73,32
ColorFabb steelFill (наполнитель – сталь)	$73,32
Proto-Pasta Iron PLA (наполнитель – железо)	$69,98
Proto-Pasta Stainless Steel PLA (наполнитель – нержавеющая сталь)	$99,98

Прочность

Существует причина, по которой пластики с металлическим наполнением не используются в производстве. Композитный материал не обладает прочность, долговечностью и ковкостью чистого металла. Кроме того, добавление металлических порошков в филамент PLA делает его более хрупким, чем чистый PLA.

Объекты, напечатанные из металлокомпозитных филаментов, очень хрупкие.

Постобработка

При использовании других типов исходного материала для 3D печати постобработка является необязательным шагом для улучшения внешнего вида ваших деталей. Для металлокомпозитных филаментов, постобработка деталей обязательна.

Сразу после принтера детали с металлическим наполнением не будут похожи на металлические. Они имеют матовую поверхность и цвет, близкий к цвету металла, который они содержат.

Эта деталь была напечатана филаментом copperFill (с медью), но до постобработки она не очень похожа на медь.

К счастью, постобработка металлокомпозитных деталей проста, но требует некоторого оборудования. Поскольку нити с металлическим наполением используют в качестве основного материала PLA, шлифование деталей может быть затруднено. Этот материал нагревается и быстро размягчается, создавая странный белый след. Также нет легкодоступных химикатов, которые можно использовать для полировки деталей способом, каким химически полируется ABS.

Лучший способ постобработки металлокомпозитных деталей – галтовка. Для этого используется простое устройство, состоящее из вращающегося барабана, заполненного полирующим средством (на английском данное устройство называется «rock tumbler»). Деталь после 3D печати просто помещается внутрь этого барабана, и когда барабан вращается, полирующее средство обрабатывает поверхность детали.

Детали из металлокомпозитного филамента до и после галтовки

Поставщики предлагают любителям 3D печати множество полировочных материалов. Одним из наиболее популярных средств является использование небольших крепежных винтов, которые похожи на металлокомпозитный пластик. Другой вариант – маленькие кусочки нержавеющей стали размером с зерна риса.

Средство для полировки из нержавеющей стали для вращающихся стаканов После длительного вращения в стакане металлокомпозитные детали будут выглядеть гораздо более похожими на настоящий металл, а не на пластик цвета металла

Простота использования

Поскольку металлокомпозитные филаменты используют в качестве основного материала PLA, к ним могут применяться те же настройки, что и при печати с использованием PLA. Это замечательно, потому что PLA – это самый простой тип материала для 3D печати, поэтому он так популярен. Металлокомпозитный филамент печатается при низкой температуре, около 200°C. Оно может также печататься без подогрева стола. Фактически, нити с металлическим наполнителем даже менее склонны к деформации, чем обычный PLA.

Два образца печати, слева PLA, справа copperFill (наполнитель – медь), были напечатаны с одинаковыми настройками печати. На самом деле, обе модели использовали для печати один и тот же g-код.

Тем не менее, есть несколько предостережений при использовании нитей с металлическим наполнителем, что делает их более сложными в использовании, чем обычные PLA нити.

Во-первых, металлический порошок в филаменте делает этот тип специализированного сырья более абразивным, чем чистый пластик. Большинство 3D принтеров поставляются с латунным соплом. Однако латунь является относительно мягким металлом, и она может стираться абразивными металлокомпозитными филаментами, медленно снижая качество печати вашего принтера.

Слева стандартное латунное сопло после многих часов печати, в том числе около 3 кг филамента с металлическим наполнителем. Справа совершенно новое закаленное сополо. Вы можете видеть, что сопло слева начало разрушаться абразивным металлокомпозитным филаментом.

Во-вторых, нити с металлическим наполнителем выполняют мосты не так хорошо, как чистые пластмассы, и при этом они также не выполняют навесы так хорошо, как другие материалы. Как упоминалось выше, металлокомпозитные филаменты намного тяжелее, чем обычные пластмассы, что делает этот материал более сложным для удержания навесных элементов в воздухе, пока пластик затвердевает.

Содержание металла в металлокомпозитном филаменте также позволяет материалу дольше удерживать тепло, по сравнению с обычным пластиком. На самом деле, это является хорошей характеристикой для предотвращения деформации, поскольку это означает, что детали охлаждаются медленнее и равномернее. Тем не менее, это также затрудняет выполнение мостом и навесов.

Для достижения лучших результатов детали должны быть спроектированы с минимальным количеством мостов и навесов – в противном случае вам понадобится дополнительный материал для поддержек. Если у вашей детали есть навесы, не забудьте включить генерирование поддержек под довольно большим углом.

Использование поддержек для нависающих элементов печатаемого объекта

Настройки принтера

Настройки принтера при печати металлокомпозитными филаментами

Наиболее подходящие проекты для печати филаментом с металлическим наполнителем

Декоративные объекты

Учитывая, что металлокомпозитные филаменты в основном полезны своими эстетическими свойствами, то они очень подходят для декоративных объектов печати: настольные статуэтки, фигурки, пресс-папье, настенные изображения – вот некоторые примеры обычных декоративных предметов, выполненных из композитного пластика.

Ювелирные изделия

Из филамента с металлическим наполнителем могут быть напечатаны ювелирные изделия, что позволяет дизайнерам создавать прототипы проектов или даже печатать образцы продукции без необходимости отливки из металла.

Визуальные прототипы

Металлокомпозитные филаменты также могут использоваться для создания визуальных прототипов металлических деталей. Детали, напечатанные из пластика с металлическим наполнителем, выглядят как литые металлические детали, но их изготовление на порядок дешевле. Следовательно, этот материал полезен для моделирования внешнего вида детали, которая впоследствии будет изготовлена из металла.

Обзор высокотемпературных FDM-пластиков для промышленной 3D-печати

Сфера применений аддитивных технологий широка: на одном полюсе — настольные принтеры «только PLA», для декоративного применения, на другом — установки для прямой печати металлами, между ними — оборудование и материалы в ассортименте. Чтобы понять, какие материалы необходимы для получения прочной и легкой детали, двигаемся от персональной печати к промышленной. PLA, ABS, SBS — расходники, которые знакомы всем печатникам. PETG, нейлон, поликарбонат — скорее экзотика. Но это далеко не самые серьезные материалы.

Где нужны суперпластики?

Пластики с выдающимися свойствами очень полезны в космосе. Нет, распечатать из пластика ракетный двигатель пока не получится, термостойкость даже близко не та, но для различных деталей вокруг он подойдет идеально. Пример — Stratasys и «климат-контроль» ракет Atlas V. 16 печатных деталей вместо 140 металлических — быстрее, легче, дешевле. И это не теоретический проект, это уже летало в космос.

Другой пример — авиация. Высота полета ниже, но применение более массовое. Здесь тоже есть резон снижать массу деталей, переходить на пластик там, где это возможно. Применяется в авиастроении и прямая печать металлами, когда речь идет уже о компонентах двигателей или деталях каркаса фюзеляжа, но менее нагруженные конструктивные элементы, такие как вентиляция салона и элементы интерьера, лучше делать из пластика. Это направление развивает, например, компания Airbus.

Спускаемся с небес на землю: здесь масса уже не так критична, интересны другие свойства инженерных пластиков. Стойкость к агрессивной химии и повышенной температуре, возможность создания недоступных для классических методов структур. При этом — более низкая цена, в сравнении с металлической печатью. Напечатанные изделия используются в медицине, нефтегазовой отрасли, химической промышленности. Как пример — выполненный для иллюстрации в разрезе смешивающий блок со сложной канальной структурой.

Отличие от привычных пластиков

Почему не запускать в космос PLA и не делать вентиляционные решетки салона самолета из ABS? К инженерным пластикам применяется ряд требований связанных с устойчивостью к высоким и низким температурам, огнестойкостью, механической прочностью. Как правило, все сразу. Так что, «плывущий» при взаимодействии с окружающей средой PLA или отлично горящий ABS в небо запускать нежелательно.

Теперь — к тому, какие, собственно, пластики используются в промышленной печати по технологии FDM/FFF.

Филаменты с поликарбонатом

Поликарбонат — распространенный в промышленности пластик с высокой ударопрочностью и прозрачностью, производится в том числе и для нужд FDM-печати. Материал лучше держит температуру, чем ABS, устойчив к кислотам, но чувствителен к УФ-излучению и разрушается под воздействием нефтепродуктов.

Чистый поликарбонат, PC

Предельная рабочая температура для изделий из поликарбоната — 130 °C. Поликарбонат биологически инертен, изделия из него выдерживают стерилизацию, это позволяет печатать упаковку и вспомогательное оборудование для медицины.

Stratasys PC, PC-ISO для принтеров Fortus. Первый — общего назначения, второй — сертифицированный на биосовместимость, для медицинского применения. ; ; ; ;

Сплав поликарбоната и ABS сочетает возможность шлифовки и окраски, свойственную ABS, с более высокой ударопрочностью и рабочей температурой. Сохраняет прочность при низких температурах — до -50 °C. В отличие от чистого PC, лучше применим в тех случаях, когда необходимо ликвидировать слоистую структуру детали шлифовкой или пескоструйной обработкой. Применение: производство корпусов и элементов органов управления для штучного и мелкосерийного выпуска, замена серийных пластиковых деталей в оборудовании, детали к которому перестали выпускать.

Полиамиды используются в производстве синтетического волокна, это популярный материал для печати методом выборочного лазерного спекания (SLS). Для печати по технологии FDM/FFF в основном используются полиамид-6 (капрон), полиамид-66 (нейлон) и полиамид-12. К общим чертам филаментов на основе полиамида относятся химическая инертность и антифрикционные свойства. Полиамид-12 более гибок и упруг, по сравнению с PA6 и PA66. Рабочая температура — около 100 °C, отдельные модификации — до 120.

Прежде всего, из полиамида печатают шестерни. Лучший материал для этой цели, с которым можно работать на обычном 3D-принтере с закрытой камерой. Стойкость к истиранию позволяет делать тяги, кулачки, втулки скольжения. В линейке многих производителей присутствуют композитные филаменты на основе полиамида, с еще большей механической прочностью.

Stratasys Nylon 6, Nylon 12, Nylon 12CF. Последний — с наполнителем в виде углеволокна. , PA6.
Taulman Nylon 618, Nylon 645 — на основе PA66 и PA6 соответственно. Nylon 680 — разрешенный к применению в пищевой промышленности. Alloy 910 — сплав на основе полиамида, с пониженной усадкой.
PrintProduct Nylon, Nylon Mod, Nylon Strong; ; .

Работать с поликарбонатом или полиамидом можно на обычном 3D-принтере. С описанными далее филаментами сложнее, они требуют других экструдеров и поддержания температурного режима в рабочей камере, то есть, нужно специальное оборудование для печати высокотемпературными пластиками. Исключения бывают — например, в NASA, ради эксперимента, модернизировали популярный в США Lulzbot TAZ для работы с высокотемпературными филаментами.

Полиэфирэфиркетон, PEEK

Рабочая температура изделий из PEEK достигает 250 °C, возможен кратковременный нагрев до 300 — показатели для армированных филаментов. Недостатков у PEEK два: высокая цена и умеренная ударопрочность. Остальное — плюсы. Пластик самозатухающий, термостойкий, химически инертный. Из PEEK производится медицинское оборудование и импланты, стойкость к истиранию позволяет печатать из него детали механизмов.

Roboze PEEK, Carbon PEEK. Второй — армированный углеволокном.

Он же — Ultem. Семейство пластиков, разработанных компанией SABIC. Характеристики PEI скромнее показателей PEEK, но стоимость заметно ниже. Ultem 1010 и 9085 — основные материалы Stratasys для печати функциональных деталей. PEI востребован в аэрокосмической отрасли — масса значительно меньше, в сравнении с алюминиевыми сплавами. Рабочие температуры изделий, в зависимости от модификации материала, достигают 217 °C по информации производителя и 213 — по результатам испытаний Stratasys.

Преимущества у PEI те же, что и у PEEK — химическая и температурная стойкость, механическая прочность. Именно этот материал Stratasys продвигает как частичную замену металлу в аэрокосмической отрасли, для беспилотников, изготовления оснастки для формовки, быстрой печати функциональных деталей в опытном производстве.

Компоненты системы охлаждения ракеты Atlas V и пластиковые детали для лайнеров Airbus, приведенные в качестве примера в начале обзора, выполнены из Ultem 9085.

Stratasys Ultem 1010 и 9085, для принтеров Fortus 450mc и 900mc.
Intamsys Ultem 1010 и 9085; ; .

Еще один материал, который сочетает в своих свойствах температурную стойкость, механическую прочность и устойчивость к химическим воздействиям. PPSF от Stratasys сертифицирован для аэрокосмического и медицинского применения. Позиционируется как сырье для производства вспомогательных медицинских приспособлений, может быть стерилизован в паровых автоклавах. Применяется в производстве деталей для лабораторных установок в химической промышленности.

Менее распространен по сравнению с PPSU, обладает схожими физическими характеристиками, химически инертный, самозатухающий. Рабочая температура — 175 °C, до 33% дешевле по сравнению с PPSU.

Сравнение характеристик филаментов

* прокаливание в течение 2 часов при 140 °C.
** Apium PEEK 450 natural, результаты испытаний ударной вязкости аналогичными методами отсутствуют. Термостойкость указана для ненаполненного PEEK.

Данные приведены для филаментов Stratasys, за исключением PEEK. Если указан диапазон значений, значит испытания проводились вдоль и поперек слоев детали.

О композитных филаментах

Большинство материалов для FDM-печати имеют композитные версии. Если говорить о PLA, то в него добавляют порошки металлов или дерева, для изменения эстетических свойств. Инженерные филаменты армируются углеволокном, для увеличения жесткости детали. Влияние таких добавок на свойства пластика зависит не только от их количества, но и от размера волокон. Если мелкодисперсный порошок можно считать декоративной присадкой, то волокна уже значительно изменяют характеристики пластика. Само по себе слово Carbon в названии материала еще не означает выдающихся свойств, нужно смотреть результаты испытаний. Для примера: Stratasys Nylon12CF обладает почти вдвое большей прочностью на разрыв, при испытании вдоль слоев, чем Nylon12.

Экзотический вариант — реализация непрерывного армирования от Markforged. Компания предлагает армирующий филамент для совместной FDM-печати с другими пластиками.

Другие специфические свойства

Инженерные пластики — это не только стойкость к высоким температурам и механическая прочность. Для корпусов или боксов для хранения электронных устройств, а также в условиях работы с легковоспламеняющимися летучими жидкостями необходимы материалы с антистатическими свойствами. В линейке Stratasys это, например, ABS-ESD7.

Пластик может заменить металл во многих областях, так как превосходит его в легкости, тепло- и электроизоляции, стойкости к реагентам. Но до физических показателей металлических изделий распечатки из лучших FDM-филаментов не дотягивают.

Химический гигант BASF предлагает FDM-филамент Ultrafuse 316LX, с массовой долей нержавеющей стали в 80%. Деталь печатается на FDM-принтере, а затем помещается в печь, где связующий пластик выжигается, а металл спекается. Получаемая таким образом деталь выходит значительно дешевле изготовленной методом прямой печати металлом. При наличии FDM-принтера и подходящей печи, нового оборудования вообще не понадобится.

Отметим, что похожее решение предлагает компания Virtual Foundry — ее Filamet, с порошком бронзы или меди, запекается аналогичным образом. Выбор металла намекает скорее на декоративное, чем на инженерное применение.

У AIM3D своя реализация подобного принципа — принтер ExAM 255 работает не с филаментом, а с гранулами. Это позволяет использовать для FDM-печати сырье, которое обычно применяется в установках MIM, Metal Injection Molding. Для спекания детали компания предлагает печь ExSO 90. Можно печатать и пластиковыми гранулами, что обычно дешевле, чем использование традиционного филамента.

Специальная техника для инженерных пластиков

Подытожим. Если совсем в двух словах: рассмотренные расходники отличаются от привычных материалов высокой температурой печати, что требует применения специального оборудования, и серьезной термостойкостью и механической прочностью изготовленных деталей. Для работы с такими филаментами нужны 3D-принтеры с рабочей температурой экструдера от 350 °C и термостабилизированной рабочей камерой. Специалисты Top 3D Shop помогут вам с подбором промышленного 3D-принтера и пластиков для решения самых интересных задач.

Превращаем пластмассу в металл

Сегодняшний пост будет посвящен работе с выжигаемым фотополимером. В процессе напечатаем модель на 3D принтере, а затем превратим ее в изделие из металла. Будем лить серебро, бронзу и латунь. Посмотрим на сколько важен режим прокалочного цикла и к чему может привести его нарушение. Выжигаемый фотополимер оказался довольно специфичным в отличии от инжекторного воска, что требует понимания многих протекающих там процессов.

Марка конкретного выжигаемого фотополимера GORKY LIQUID CASTABLE LSD. Цвет смолы - прозрачно желтый, производитель заявляет, что она замечательно подходит для изготовления моделей зубных имплантатов и ювелирных изделий. В одном из предыдущих постов мы рассматривали тонкости и нюансы печати различными фотополимерами, каждая смола оказалась по своему уникальна, потому тем кто не видел рекомендую к просмотру.

Сегодняшней задачей у нас будет отливка брелка на ключи в виде знака радиохазарда взятого с ресурса Thingiverse. Модель изначально имеет довольно крупные размеры, что потребует большего количества серебра. В программе уменьшаем габариты изделия на 30% и отправляем файл на печать. Высота слоя тут 50 микрон, время печати около часа на фотополимерном принтере CREALITY HALOT-SKY. Промываем его в ультразвуковой ванне и смотрим что получилось.

На начальном этапе подготовки к отливке, на изделия необходимо установить литники из инжекторного воска. Дело в том, что этот фотополимер не плавится, а на жале паяльника сразу превращается в легкий дымок, минуя жидкую фазу. Литники из воска сделать довольно просто, достаточно завулканизировать пару прутиков необходимого диаметра. Конкретное исполнение довольно кривое, но на результат отливок это никак не повлияет.

За пару часов на столе насобиралась горсть моделей, готовых к труду и обороне. Вся операция проходила под сериал "Очень странные дела" в компании хорошего французского зеленого чая. Параллельно подготавливаются другие восковки для отливок исторических предметов по просьбе знакомых.

Пожалуй это была самая массовая литейка за всю историю канала с подготовкой сразу нескольких выпусков наперед. Параллельно с печатью выжигаемого фотополимера была попытка завулканизировать модель для получения точного слепка но, к сожалению остатки ювелирной резины оказались просроченными и вся работа пошла коту под хвост.

Под старыми роликами часто спрашивают чертежи и электрическую схему вулканизатора. Вот архив с необходимыми файлами. Схему управления построена на базе микроконтроллера Attiny2313 и цифрового датчика температуры DS18B20. Эта же схема используется в качестве автоматики в процессе ректификации этилового спирта в домашних условиях.

Перед заливкой опоку необходимо обмотать скотчем, иначе формовочный состав при вакуумировании весь убежит. Установленную в пластилин модель накрываем куском трубы и заполняем ее формовочной смесью. Часто вижу комментарии "что за гипс я использую"? Это не гипс, а специальная ювелирная смесь, хоть бы не ленились и гуглили время от времени в промежутках между тиктоком. Конкретная смесь Prestige ORO, соотношение воды и порошка 1 : 2.5. Состав подобран специально для минимальной усадки в процессе прокалки. Засыпаем порошок в воду, после чего быстро и тщательно все перемешиваем, комки тут недопустимы.

Время жизни этого коктейля восемь минут. За это время нужно успеть все перемешать, несколько минут завакуумировать состав чтобы избавится от лишних пузырей, разлить всё по опокам и снова завакуумировать все это болото. Скажу наперёд, что данная процедура полностью исключает корольки на отливках. Раньше без такого оборудования с этим у меня были проблемы.

Подготовка опок перед отливкой. Снимаем скотч, так как он нам больше не понадобится. Литники в виде гвоздей проще удалять, если их заранее окунуть в воск, а внешний нагрев позволит извлечь металл без повреждения каналов. Сверлом делаем небольшую зенковку отверстий. Важно чтобы мусор не попал внутрь. Опоки обязательно подписываем. Если не сделать данную процедуру потом, фиг пойми что-где находится, однажды обжегся на этом этапе.

Прокалочный цикл. Термопара K-типа крайне коварная вещь, тонкая - после нагрева постоянно ломается и требует ремонта, а толстая - как на зло имеет просто колоссальную инерцию и теплопотери через металлические контакты выступающие с внешней части корпуса.

Это приводило к тому, что вместо установленных 700 градусов в печи были все 830. Полный беспредел. Порой это приводило к тому, что открытие дверцы печи испепеляло тебя как Сару Коннор во время ядерного апокалипсиса. Такой режим прокалки никуда не годится, так как формовочная смесь может потрескаться и дать облои на отливках. Молчу уже про обгорание проводов на критических температурах, контакты необходимо располагать как можно дальше от места нагрева.

Простой пример как врёт толстая термопара. Разброс свыше 20 градусов на первой полки прокалки. Экспериментальным путем пришлось проводить корректировку температур. Каждый раз вспоминаю Тимофея с литейной мастерской ARIMF когда запускаю прокалку на этой печи. Термоконтроллер - это его детище, зарекомендовавшее себя во многих литейных мастерских. Недавно у него вышел новый ролик на канале, всем рекомендую к просмотру!

После подбора температур, необходимые 740 градусов достигаются при 655. Измерения совпали как на независимом термометре с термопарой, так и с пирометром.

К каждой формовочной смеси производитель прилагает инструкцию с прокалочным циклом. Вот простой пример для нашего состава. Тут видны конкретные полки по температурам в определенное время. Весь процесс занимает 15 часов. Сильно удивил синий график для фотополимеров, дело в том, что при моментальном нагреве в 500 градусов, опоку, в теории должно разорвать на части из-за огромного количества влаги внутри. А в инструкции для фотополимера Gorky Liquid, цикл отличается от того, что заявляет производитель формофочной смеси Prestige ORO. И вот фиг пойми кому верить. Пойдем как всегда опытным путем.

Для начала нужно определить при какой температуре выгорает фотополимер. Для этого в печке для плавки металла будем плавно поднимать обороты и смотреть, когда ювелирное кольцо начнёт испарятся. Изменение цвета модели начало меняться при 350 градусах. При том выглядело это крайне мистически, кольцо постепенно темнело оставаясь в первоначальной форме до тех пор, пока не превратилось в кучу угля, который больше не выгорал.

Как же так, в прошлом посте я показывал что эта смола сгорает без остатка малейшего следа, а тут такое. Не паникуем. Повторил эксперимент положив кольцо в уже разогретую печь. Изделие за пару часов исчезло, оставив после себя только черный потек на дне тигля. Похоже, что фотополимер при плавном нагреве аннигилирует при доступе кислорода. Много раз пришлось открывать печку в процессе первого эксперимента и это превратило изделие в угли.

Печатаем дополнительные модели для опытов. Возьмем брошь в стиле викингов и установим ее для заливки вместе с обыкновенной восковой моделью. Банка с под оливок будет выступать в качестве опоки. Проверялись разные циклы прокалки и следовательно я попросту не успевал находить металлические банки на местных мусорках.

Весь процесс должен проходить в хорошо проветриваемом помещении, иначе дух исходящий из щелей печи завоняет всё. Потому прокалка проходит под кондиционером. Нечего коробке лишний раз перегреваться. Это всего лишь одна треть из тех опок, которые готовились к отливкам, массовое производство так сказать.

У нас есть три опоки. На последней меньше всего трещин и это неспроста, давайте разбираться. Первый образец. Банка с под оливок хрустит в руках как чипсы во время футбола. Сталь превратилась в труху. Ломаем получившиеся блюдо на две половины и смотри что там внутри.

Данный цикл прокалки длился 7 часов и дело было до коррекции температуры печи. Поверхность формомассы здесь похожа на побелку потолка в погребе, все потрескалось. Теперь самое интересное. Добравшись до изделия из инжекторного воска тут предстала совсем другая картина. Ему абсолютно все равно на нарушение прокалочного цикла, поверхность тут ровная и не имеет видимых дефектов.

Вскрываем вторую опоку, время прокалки 8 часов, температура подбиралась из рубрики пальцем в небо. Что интересного оказалось внутри? Один и тот же крест из инжекторного воска на общей основе показал непредсказуемый результат, одна поверхность идеальная, а вторая покрылась перхотью. Также один из крестов дал трещину.

Вскрываем последнюю банку из-под кукурузы. Этот цикл длился 10 часов и был где-то близко к рекомендациям производителя. Этот образец лучшим образом поясняет, почему фотополимер разрушает внутреннюю поверхность. Дело в том, что при недостаточной просушке опоки в составе остается небольшое количество влаги, при выгорании смолы и контакте с водой поверхность смеси разрывает на колбасу.

Потому отсюда следует вывод, что начальные полки просушки следует продлить как минимум на пару часов поверх рекомендуемых инструкцией, особенно это актуально для больших опок.

Коэффициент металла для ювелирного воска и серебра 1 к 11. То есть, если восковка весит 1.56 грамм, то умножаем цифру на 11 плюс пару грамм на литник и получаем количество необходимого серебра для будущего изделия. Для фотополимера это соотношение 1 к 7.5, он значительно плотней в отличии от воска.

Ну что ж приступаем к литейному ремеслу. Рекомендую обзавестись термостойкими перчатками для таких дел, так как инфракрасное излучение муфельной печи запекает руки до состояния шашлыка за пару секунд, а в воздухе стоит отчетливый аромат паленых волос.

Чтобы металл не окислялся во время плавки посыпаем его бурой, она как попкорн при нагреве разбухает и разлетается по окрестностям. Если количество металла большое, то оно прогревается двумя горелками. Ну а дальше как всегда по классике в работу вступает кружка и центробежное литье.

Первый блин комом. Недолив из-за того, что неправильно рассчитал коэффициенты серебра и фотополимера. Или серебра пожлобился, уже не вспомню. Вторая попытка и тоже недолив, в этот раз серебро пробило дно опоки и частично вылилось в кружку. Малость не долил формовочной смеси.

Для плавки металла используется MAPP газ, дающий максимальную температуру пламени примерно 1900 градусов. Честно, таких температур не замечал, но жарит она хорошо по сравнению с обычной бутановой горелкой.

На этот раз серебра положил с запасом. Посыпаю содержимое бурой чтобы метал не окислялся в пламени горелки и прогреваю его несколько минут чтоб был запас по температуре. Самый волнительный момент. Так как это была не первая попытка отливки, на правой руке начали образовываться мозоли, а супруга сейчас в отъезде)

Водные процедуры показали, что на свет появилось новое изделие, нужно его извлечь и промыть в воде. На удивление, модель полностью пролилась всего лишь с третей попытки, что не может не радовать.

Дальше использовал оплавки античной бронзы, которая использовалась в одном из прошлых фильмов, где мы отливали бронзовый кельт. Как найти такую бронзу не спрашивайте, это долгая история и тут есть о чем поговорить.

Плавим бронзу с помощью двух газовых горелок параллельно присыпая содержимое бурой и выливаем всё в графитовую изложницу. Коэффициент бронзы и фотополимера не знаю, количество металла брал на глаз. Машем кружкой. Однажды, увидел соседа в окне, который наблюдал за этим процессом из соседнего дома. Он явно не понимал что происходит, но при этом прожигал меня взглядом. Нефиг заглядывать в чужие окна!

Отливка на удивление получилась со второго раза, на первом забыл включить видеозапись на камере, но там было всё печально, недогрел металл.

Так же попробуем отлить его из латуни. Литейную латунь можно раздобыть из сантехнических фитингов, в конкретном случае это заглушка для трубы. Прогрев пару минут, изделие начало сдаваться и стекать каплями на дно тигля. С детства мечтал приручить металл и превратить его в что-то необычное.

При плавке латуни мне вспомнилась школьная дискотека 2000-х, там играли песни группы "Руки вверх", стоял дымогенератор и стробоскоп, который мигал в толпу ~~обдолбанных~~ малолеток не понимающих суть своего бессмысленного существования. Я часто спрашиваю себя: Что останется от всего этого через миллиард лет? Явно ничего хорошего. С этой мыслью просыпаюсь каждое утро.

Латунь вроде пролилась и оставила на поверхности красочные ярко желтые следы. Дышать цинком ~~очень полезно~~, потому проводить такую терапию регулярно не рекомендую! Остужаем опоку в холодной воде. С первого взгляда всё замечательно. Видно знак радиохазарда. Но по факту нас ждёт разочарование. Такое чувство, что металл застыл в опоке прямо в процессе маханием кружкой. Всё пролилось кроме верхушки, явно недогрел металл.

В результате насобиралась вот такая коллекция замечательных разношерстных изделий. Некоторые уйдут на переплавку, а некоторым предстоит дальнейшая обработка. Вывариваем заготовки в лимонной кислоте. При детальном осмотре металла, в глаза бросаются края изделий. На серебре они острые, правильные. На бронзе углы вялые, сглаженные. Текучесть серебра явно выше.

Обработка изделий. В ход идёт грубая артиллерия в виде напильников и надфилей. Необходимо убрать остатки литниковой системы и выровнять все плоскости. При детальном осмотре в металле была обнаружена раковина с обратной стороны изделия. Заделаем её припоем для пайки с трёх процентным содержанием серебра. По цвету металл будет отличатся, но это не критично. Алмазной насадкой убираем облои в каньонах рельефа. Ровные плоскости выводим на наждачной бумаге. В начале используем крупное зерно, а затем мелкое по убывающей.

В самом конце использовался мелкозернистый водный камень, поверхность оставил сатинированую с мелкими царапинами. Такой метод обработки часто применяется для клинков ножей. Вся серебряная пыль в процессе обработки металла не выбрасывается, а собирается в отдельный пакетик для последующей переплавки. В результате из этого мусора получилась капля в пару грамм. Отходы превращаем в доходы как говорится.

Параллельно на наждачной бумаге выводим плоскость на бронзовой заготовке. Поверхность в этот раз сделаем матовую с использованием 30% азотной кислоты. Десять минут и готово. Такие изделия в итоге получились. Одно из серебра, а второе из бронзы пролежавшей в земле несколько тысяч лет.

Перейдем к самой интересной глава повествования. Превращение изделия в артефакт. Для этого нам нужен светящиеся в темноте порошок. Достать его можно из старых советских часов или рубильников. Собираем светомассу постоянного действия на основе радия 226 в отдельный пакетик и . Да шучу я! Такой светонакопительный пигмент продается на алиэкспресс.

Разводим его с эпоксидной смолой, а с помощью шприца заливаем состав в углубление брелка. Эпоксид довольно жидкий и сам растечется по всему объему рисунка. Через сутки получаем два светящихся артефакта. Пару минут работы и брелки можно цеплять на ключи. Удивительно как простая модель напечатанная домашнем на 3D принтере может превратится в изделие из металла.

Пока заряжал люминофор ультрафиолетовым фонариком, заметил, что формовочная смесь на заднем плане начала флюоресцировать красивым желтым цветом. Места где находились восковые модели светятся значительно меньше. Любопытно, но свежая формовочная смесь не обладает подобными свойствами, они проявляются только после прокалки и на этом кадре это хорошо видно.

Для справки. Съемка этого выпуска заняла чуть больше месяца. Пришлось повторять 3 полных цикла прокалки опок, чтобы понять из-за чего шелушится поверхность выжигаемого фотополимера. Платформа на которой проходила прокалка, после всех экспериментов рассыпалась в труху, металл стал похож на засохшую лепешку которая легко ломается руками. Получившийся брелок полностью безопасен, его фон не превышает радиационные поля в Чернобыле.

Параллельно проводилась съемка литья изделий для будущих проектов. В общей сложности использовалось больше сотни грамм античного серебра. В процессе получил пару ожогов горелкой. В дальнейшем планируется модернизация литейного оборудования, будет собран восковой инжектор с подогревом и вакуумный литейный стакан предназначенный для вакуумного литья.

Читайте также: