Передовые технологии 3D-печати с использованием композитных материалов: практическое руководство

3D-печать Использование композитных материалов представляет собой более сложную технологию по сравнению с обычной 3D-печатью с применением таких пластиков, как PLA или ABS. В 3D-печатные изделия можно включать такие материалы, как углеродное волокно, стекловолокно и непрерывные волокнистые армирующие элементы, благодаря чему получаемые изделия будут гораздо прочнее и при этом легче. Филамент из углеродного волокна, а также непрерывные нити углеродного волокна или стекловолокна, сплетенные в филамент или наносимые слой за слоем, позволяют создавать 3D-печатные детали, способные выдерживать нагрузки лучше, чем изделия из традиционных пластиков. В этом руководстве вы узнаете, в чем на самом деле заключается 3D-печать композитных материалов и как приступить к этому процессу. Здесь будут рассмотрены такие темы, как подходящие материалы CFF, рекомендуемые 3D-принтеры, правильные методы подготовки к печати, а также примеры различных напечатанных композитных материалов для различных применений. Понимание методов, описанных в этом руководстве, означает освоение навыков изготовления надёжных деталей конечного назначения с использованием высокоэффективных композитных материалов.

Композитные материалы для 3D-печати

Нити, армированные волокнами

Короткие волокна используются в нитях для армирования различных частей Пластик, напечатанный на 3D-принтере. Существуют два вида таких материалов: нить из углеродного волокна и нить из стекловолокна. Нить из углеродного волокна состоит из коротких углеродных волокон длиной ¼ дюйма, встроенных в пластиковый полимер. По результатам наших экспериментов углеродное волокно повышает прочность и увеличивает жесткость печатных изделий. Однако небольшая длина волокон означает, что они не будут столь прочными в изделиях, как непрерывные волокна. Кроме того, они значительно более подвержены поломкам, чем стекловолокно. Тем не менее, углеродное волокно позволяет создавать сравнительно очень прочные, но относительно лёгкие детали, подходящие для использования в таких областях, как корпуса, кожухи и другие конструкции, требующие прочности и надёжности. В нити из стекловолокна используются короткие волокна стекловолокна, а не углеродные. Она позволяет получать прочные отпечатки, которые отличаются плотностью, термостойкостью и меньшей ломкостью по сравнению с углеродным волокном. Отпечатки из стекловолокна хорошо подходят для деталей с защелкивающимся соединением, корпусов и инструментов для прототипирования. Недостатком является то, что прирост прочности по сравнению с обычным пластиком не так велик, как в случае с углеродным волокном.

Армирование непрерывным волокном

Углеродное волокно (пучок/лента)

При армировании непрерывными волокнами используются длинные, цельные нити углеродного волокна, которые слой за слоем укладываются непосредственно в 3D-печатные изделия. Распространенными видами непрерывных волокон являются углеродный канат или лента. Канат представляет собой пучок, состоящий из множества нитей, связанных вместе, тогда как лента состоит из отдельных нитей, скрепленных между собой.

Углеродные волокна встраиваются в матричный материал, такой как АБС или ПЛА, который затем печатается на 3D-принтере. Использование непрерывных углеродных волокон позволяет получать невероятно прочные изделия, которые по своим свойствам практически не уступают углеродным композитам. Удлиненные волокна обеспечивают распределение прочности в ключевых направлениях нагрузки. Детали способны выдерживать высокие ударные, растягивающие и изгибающие нагрузки.

Приложения

• Углеродное волокно отлично подходит для использования в конструкциях и несущих элементах, где важна сочетание легкости и прочности, например, в дронах, роботах и корпусах.
• Стекловолокно хорошо подходит для изготовления кожухов, корпусов и деталей с защелкивающимся креплением, которым требуется прочность и термостойкость.
• Тяговые и ленточные материалы обеспечивают высокую производительность и подходят для изготовления функциональных прототипов, производственных форм и аэрокосмические компоненты.

Подходящие 3D-принтеры

Печать методом наплавления расплавленного нити (FFF/FDM)

Принтеры FFF/FDM, такие как Prusa MK3s, Ultimaker S5 и MakerBot Method, хорошо подходят для печати с использованием композитных нитей и наслоения непрерывных волокон. В технологии FFF композитная нить экструдируется, обеспечивая слияние слоев по всей поверхности отпечатка. Отдельные углеродные волокна ориентированы хаотично, но прочность материала в целом повышается. Низкая вязкость расплавленного пластика обеспечивает пропитку непрерывных волокон, что обеспечивает хорошее сцепление слоев друг с другом при перемещении печатающей головки.

Начинающие могут начать с недорогих принтеров, таких как Ender 3, а опытные пользователи выбирают модели с большей рабочей зоной, например Lulzbot TAZ, или модифицированные по индивидуальному заказу устройства. Универсальные модели, такие как Mark Forged Mark Two, оснащены системой непрерывной укладки волокон.

Стереолитография (SLA) и технология цифровой обработки света (DLP)

SLA а принтеры DLP обладают преимуществами в плане разрешения при печати композитных материалов. Принтер Formlabs Form 3 с высокой точностью печатает вложенные сетки из непрерывных волокон. Смолы, содержащие взвешенные частицы керамики или графена, позволяют получать очень прочные и термостойкие детали. Отверждение происходит быстро, слой за слоем, поэтому волокна не смещаются во время печати. Однако опорные структуры могут повредить волокна, что требует дополнительной постобработки.

Селективное лазерное спекание (SLS)

SLS позволяет выполнять 3D-печать из неармированного нейлона и композитных порошков, подаваемых через коаксиальные дозаторы. Например, система EOS P 395 вводит длинные углеродные волокна в процессе печати. Изготовленные детали обладают высокой стойкостью к ползучести и выдерживают нагрузки в любом направлении. Однако эта технология отличается более высокой стоимостью.

Настройка печати и слайсинг

Настройки слайсера

При настройке профилей слайсера для композитных материалов следует выбирать более низкую скорость, чем при обычной печати. Снижение скорости до примерно 30 мм/с дает волокнам время для правильного закрепления. Также необходимо точно отрегулировать температуру, чтобы полностью расплавить заполняющий материал вокруг волокон. Дополнительные соединительные слои способствуют укреплению связи.

Настройки опорных элементов необходимо оптимизировать, чтобы свести к минимуму контакт с волокном. На больших участках опоры часто можно заменить «плотами». Окантовки обеспечивают лучшую адгезию, не соприкасаясь с отпечатком.

Инструменты и загрузка

Пряди углеродного волокна перед использованием необходимо отрезать. Для этого подойдут ножницы, но лучше всего использовать бритву. С помощью пинцета аккуратно вставьте прядь в подаватель.

В принтерах с послойной печатью загружайте катушку с непрерывным волокном и нить матрицы отдельно, чтобы регулировать подачу. Проводите калибровку до тех пор, пока они не соединятся точно на конце.

Калибровка

Проведите тестирование простой 3D-фигуры на низкой скорости с различными значениями ширины экструзии и степени перекрытия. Проверьте наличие пустот, изгибов и прочность, чтобы определить оптимальные настройки.

Прилипание к кровати

Для печати с использованием углеродного волокна рекомендуется использовать слой «рафт». Для предотвращения отслоения первых слоев может потребоваться клей или клейкая лента. Бримсы обеспечивают лучшую фиксацию, не соприкасаясь с основной поверхностью отпечатка.

Постобработка

Удаление поддержки

При печати по технологии SLA/DLP растворите опорные структуры в воде, чтобы быстро удалить их, не повредив детали. Или обработайте поверхности ацетоном с помощью паровой полировки для придания им гладкости.

Отделка

Используйте абразивные композиты, начиная с зернистости 150 и постепенно переходя к зернистости 400 или 600. Это позволяет отполировать слои и заполнить зазоры.

Нанесите грунтовку-шпатлевку или шпатлевку «Бондо», чтобы заделать оставшиеся поры. После высыхания снова отшлифуйте поверхность.

Грунтовки улучшают сцепление краски и помогают добиться глянцевого покрытия. Используйте грунтовки, предназначенные для пластмасс.

Герметизация

Нанесите кистью 2–3 тонких слоя полиуретанового герметика. Это укрепит и защитит отпечатки, сохранив при этом поверхность, пригодную для окрашивания.

Живопись

Наносите автокраски распылителем или кистью для получения высококачественного лакокрасочного покрытия. Двухкомпонентные (2K) краски позволяют добиться результатов выставочного качества.

Прозрачное покрытие

Нанесите 2–3 тонких слоя прозрачного полиуретана для закрепления и защиты цветного слоя. Отполируйте по желанию.

Следует избегать: процессов, при которых выделяются пары, например ацетона, или химических веществ, способных повредить волокна, таких как растворители для краски.

Примеры составных деталей

Автоспорт

Спойлер из углеродного волокна

Задний спойлер был напечатан в плоском виде из углеродного волокна, а затем термоформован с использованием формы. При печати волокна укладывались параллельно потоку воздуха. Форма была аккуратно придана с помощью горячей воды.

Тормозные воздуховоды из стекловолокна

Эти каналы, направляющие воздух к тормозам, сначала были напечатаны в виде формы из PLA. Затем их покрыли герметизирующим слоем. Внутрь были уложены стекловолоконные маты и смола, после чего конструкция была отверждена.

Робототехника

Усиленные кронштейны для дронов

Детали рук были напечатаны из углеродного волокна в виде двух частей. Соединения были склеены эпоксидной смолой. Углеродная лента укрепила соединения, а вставленные в них втулки, напечатанные из ТПУ, обеспечили подвижность.

Захваты из углеродного волокна

Захваты для захвата предметов должны обладать прочностью и иметь точные габариты. Челюсти из литого нейлона и корпуса из PLA были армированы волокном. Введение углеродного волокна обеспечило их прочность.

Производство

Прототип корпуса из стекловолокна

Форма корпуса была изготовлена методом 3D-наслоения из АБС-пластика и непрерывного стекловолокна на станке Mark 2 с толщиной слоя 0,5 мм. Она выдерживает шлифовку и изготовление прототипов.

Композитная форма для литья под давлением

Благодаря использованию высокотемпературного ABS и материала HexTow на принтере Fortus 450mc форма этого тормозного коллектора обеспечивает охлаждение и выдерживает температуры литья.

Потребитель

Чехол для телефона из углеродного волокна

Благодаря использованию металла P3 для встраивания однонаправленного препрега в выровненные слои этот чехол защищает от ударов и точно подходит к различным моделям телефонов.

Рамы из стекловолокна

Оправы очков были напечатаны из АБС-пластика с добавлением стекловолокна для обеспечения комфорта, гибкости и ударопрочности. Тонкие стенки были укреплены по всей длине.

Искусство/Дизайн

Скульптуры из непрерывных волокон

Сложные формы, напоминающие извивающиеся кораллы, были воссозданы из нейлона с использованием длинных углеродных волокон, повторяющих контуры конструкции, что обеспечило прочность без ущерба для эстетики.

3D-печатные изделия, армированные волокном

Изделия укрепляются с помощью измельченного стекловолокна в материалах ASA, напечатанных на принтере Markforged, без ущерба для детализации благодаря технологии печати с проникновением непрерывного волокна.

Продвинутые методы

Печать методом лайапа

Технология 3D-печати с укладкой слоев позволяет точно размещать волокна в одном направлении или в виде плетения. Устройство Markforged Mark Two печатает из ABS, одновременно непрерывно укладывая углеродное волокно с катушек или рулонов ткани, например, с саржевым переплетением. Каждый слой точно размещает армирующие элементы с помощью системы визуального контроля. Сложные геометрические формы, такие как решетчатые конструкции, можно армировать с минимальными затратами.

Многоматериальная мультиэкструзия

Некоторые принтеры, такие как Formlabs Form 3, могут печатать из нескольких материалов одновременно благодаря независимым экструдерам. Можно изготавливать детали из нейлона с выборочными поверхностями, на которых видно непрерывное углеродное волокно или кевлар. Различные визуальные свойства усиливают стратегические направления, подверженные высоким нагрузкам.

Моделированные арматурные элементы

В программах САПР, таких как Fusion 360, в конструкции можно наносить контуры армирования, которые принтер непосредственно распознает и повторяет. Внутренние решетки эффективно укрепляют детали там, где это необходимо, без добавления лишнего материала. Теперь программы нарезки распознают эти контуры для обеспечения оптимального армирования.

Проекты по созданию прототипов из композитных материалов

Корпус дрона был напечатан методом лайап-печати с толщиной слоя 0,1 мм из ABS и однонаправленного углеродного волокна. Внутренние каналы были напечатаны. Датчики были влиты непосредственно в корпус.

Был создан прототип скутера высокого класса. Детали рамы были напечатаны из нейлона с непрерывным волокном. Для демонстрации интеграции были добавлены внутренняя проводка и контроллеры.

Встроенная электроника

Датчики, батареи и простые электрические схемы можно встраивать в композитные детали в процессе 3D-печати, размещая компоненты внутри открытых полостей, а затем напечатывая герметичный верхний слой. Соединения фиксируются с помощью армирующих элементов. Для доступа к программированию можно добавить отверстия.

Постобработка для повышения производительности

Оптимизация заполнения

Сотовые и треугольные заполнения обеспечивают максимальную прочность при низких плотностях ниже 30%. При плотности выше 40% лучше всего подходят прямолинейные заполнения. Линии, выровненные вдоль траекторий нагрузки, улучшают соотношение прочности к весу композитных деталей.

Термическая отвердка

Для деталей, изготовленных из смол, дополнительная термоотвердка способствует полному сшиванию полимеров, что обеспечивает максимальные эксплуатационные характеристики. Обычно после печати детали выдерживают в конвекционной печи при температуре 80 °C в течение 2 часов.

Механическая обработка

Стандартная обработка на станках с ЧПУ позволяет довести до совершенства детали из композитных материалов, напечатанные на 3D-принтере. Фрезеровка углублений и пазов дополняет 3D-печать, позволяя создавать подвижные фитинги, отверстия или другие крепежные элементы. Сверление монтажных отверстий завершает изготовление прототипов.

Склеивание

Для склеивания или ремонта используйте эпоксидные смолы, предназначенные для композитных материалов. Подготовка поверхности улучшает адгезию. Во время отверждения зажмите детали зажимами. С помощью специальных клеев можно соединять изделия, напечатанные из разных материалов.

Обработка поверхностей

Шлифование с использованием абразива с высоким номером зерна позволяет получить гладкую поверхность. Грунтовки улучшают адгезию краски и повышают коррозионную стойкость. Химическая пассивация защищает металлические детали. Анодирование повышает твердость и износостойкость алюминия, а также расширяет возможности его окраски.

Сборка

После механической обработки детали можно соединять с помощью болтов, защелкивать или сваривать ультразвуком. Крепежные выступы укрепляют соединения и одновременно упрощают конструкцию.

Испытания и сертификация материалов

Механические испытания

Испытания на растяжение, изгиб и удар по методам Изода и Шарпи позволяют определить прочность, жесткость и ударную вязкость материала. Методы испытаний регламентируются стандартами ASTM, такими как D638, D790 и D256.

Стандарты 3D-печати

При применении технологий аддитивного производства необходимо учитывать границы раздела слоев и анизотропию. Стандарт ASTM F2971 содержит рекомендации по испытаниям термопластов, напечатанных на 3D-принтере.

Документация

Ведите рабочую тетрадь проекта, в которой подробно описывайте материалы, настройки печати, послепечатную обработку и процедуры испытаний. Фиксируйте все показатели.

Сертификаты

В регулируемых отраслях для отдельных компонентов может потребоваться одобрение по стандартам ISO или FDA. Сертификация Underwriters Laboratories подтверждает безопасность. Соответствие требованиям подтверждается данными.

Неразрушающий контроль

Ультразвуковое C-сканирование позволяет выявлять внутренние дефекты. Рентгеновская радиография выявляет дефекты. Капиллярная дефектоскопия выявляет поверхностные трещины. Такой контроль качества обеспечивает целостность изделия.

Важность тестирования

Сертифицированные данные необходимы для подтверждения того, что авиационные, медицинские или иные критически важные детали способны выдерживать нагрузки в реальных условиях эксплуатации. Проведение испытаний позволяет избежать ответственности за детали, изготовленные методом 3D-печати из композитных материалов. Повторная проверка гарантирует стабильное и надежное качество.

Заключение

В заключение, в данном руководстве представлен обзор передовых технологий 3D-печати с использованием композитных материалов. К ключевым моментам относятся такие подходящие материалы, как нити из углеродного и стекловолокна, а также армирование непрерывным волокном. Были рассмотрены рекомендации по выбору принтеров FFF/SLA/SLS, оптимизированные профили нарезки и этапы послепечатной обработки, такие как механическая обработка. Примеры напечатанных из композитных материалов деталей продемонстрировали возможности их применения в автоспорте, робототехнике, производстве и других областях. Передовые методы, такие как печать с наложением слоев, интеграция встроенной электроники и ориентированные на повышение эксплуатационных характеристик технологии, например термоотверждение, расширяют творческие возможности композитных материалов. Прочность и возможность индивидуальной настройки деталей из композитных материалов, напечатанных на 3D-принтере, делают их идеальным выбором для функциональных прототипов и серийного производства. По мере постоянного совершенствования как материалов, так и технологических процессов 3D-печать композитных материалов обещает всё более светлое будущее в сфере производства. Читателям предлагается открывать новые горизонты в области проектирования индивидуальных композитных компонентов.

Вопросы и ответы

Вопрос: Какие принтеры лучше всего подходят для начинающих, интересующихся композитными материалами?

A: Принтеры FFF начального уровня, такие как Ender 3, — это доступные варианты для тех, кто только начинает экспериментировать. На них можно печатать простые детали с использованием филамента с волокнистым наполнителем.

Вопрос: Как предотвратить повреждение или скручивание волокон во время печати?

A: Снизьте скорость, используйте опорные интерфейсы и оптимизируйте нагрев, чтобы волокна полностью уложились в матрицу. Также важно правильно загружать непрерывные волокна, чтобы избежать зацепок.

Вопрос: Какая последующая обработка требуется для изготовления прочных композитных деталей?

A: Шлифование, шпатлевание, грунтование и окраска позволяют получить долговечное покрытие. Дополнительная обработка, такая как термообработка, может укрепить сцепление волокон с пластиком, что обеспечит превосходные механические свойства.

Вопрос: Можно ли встраивать электронные компоненты в композитные детали?

A: Да, для этого необходимо разместить компоненты в открытых полостях перед нанесением герметизирующих слоев. Армирующие элементы обеспечивают прочность соединений. Следует заранее запланировать выводы проводов, чтобы избежать герметизации электронных компонентов.

Вопрос: Как проверить, выдержат ли мои композитные детали эксплуатацию?

A: Проведите испытания, такие как испытания на растяжение или ударную вязкость по стандарту ASTM, и сравните результаты с требованиями к применению. Для областей, связанных с безопасностью, таких как аэрокосмическая отрасль, может потребоваться сертификация.