Čo sú filamenty pre 3D tlač?

Filamenty pre 3D tlač sú termoplastické materiály, ktoré sa používajú na tlač trojrozmerných objektov prostredníctvom nanášania roztaveného materiálu na 3D tlačiarni. Vyrábajú sa v rôznych typoch a farbách z materiálov ako ABS (akrylonitril-butadién-styrén), PLA (polylaktid), PET (polyéterftalát), nylon a mnohých ďalších. Dodávajú sa vo forme cievok navinutých na kotúčoch, ktoré sa potom vkladajú do 3D tlačiarne. Odvinutý termoplastický materiál sa pretlačí cez dýzu zahriatu na teplotu, ktorá spôsobí jeho roztavenie. Dýza, ktorá riadi tok materiálu, sa priestorovo pohybuje podľa pokynov nadiktovaných softvérom (napr. CAM).

To pripomína stereolitografiu (SLA), pri ktorej sa výroba tiež uskutočňuje nanášaním postupných vrstiev vytvrdených laserom. 3D tlač si nachádza cestu do čoraz väčšieho počtu oblastí, čo vytvára rastúci zoznam filamentov dostupných na trhu. Niektoré sú založené na prírodných surovinách, iné sú syntetizované výhradne z umelých materiálov. Všetky tieto typy však majú jedno spoločné: majú podobu tenkých, niekoľko desiatok či dokonca stoviek metrov dlhých vlákien navinutých na cievkach rôznych veľkostných štandardov. Tieto cievky sa pohodlne montujú a demontujú na tlačiarni a (vďaka bočným krytom) dobre chránia vlákna pred skĺznutím z cievky.

Filamenty od uznávaných dodávateľov sú dostupné v dvoch základných priemeroch vlákien: 1,75 a 2,85 mm. Spravidla sú úhľadne vyrobené a bez náhodných zhrubnutí alebo akýchkoľvek nerovností. To je veľmi dôležité pre kvalitu tlače, pretože každé zhrubnutie znamená prídavok materiálu v dýze a trochu iné správanie materiálu pri nanášaní v aktuálnej vrstve; tiež si treba uvedomiť, že hrúbka obvyklej jednej vrstvy je približne 80 % priemeru dýzy, čo je zvyčajne o niečo menej ako pol milimetra (napr. pre dýzu s ∅ 0,4 mm bude výsledná vrstva 0,32 mm).

Charakteristika najdôležitejších druhov filamentov

Existuje mnoho typov filamentov, a teda aj materiálov, z ktorých sa vyrábajú. Avšak je tu istá skupina, ktorú možno s určitosťou označiť za najobľúbenejšiu a ktorú sa oplatí poznať pri práci s 3D tlačiarňami:

ABS (akrylonitril-butadién-styrén)

Ide o jeden z najobľúbenejších druhov filamentov na 3D tlač. ABS je trvanlivé a odolné stlačeniu a oderu a dobre zvláda aj vysokú teplotu. Je preto ideálnym materiálom na tlač dielov, ktoré sú vystavené dlhodobému používaniu v náročných podmienkach. Môže sa s ním však ťažko manipulovať, počas tlače môže uvoľňovať nebezpečné a zároveň nepríjemné pachy a bez horúceho pracovného stola a stolového lepidla je náchylný na deformácie. Jeho teplota tlače sa pohybuje medzi 210 a 250 °C. Filamenty ABS sa vytvárajú procesom termoplastickej syntézy. Tento proces zahŕňa miešanie troch zložiek – akrylonitrilu, butadiénu a styrénu – v špeciálnom zariadení nazývanom kontinuálny miešač, aby sa vytvorila homogénna hmota. Táto hmota sa zahreje na vysokú teplotu, aby sa roztavila, a potom prechádza cez dýzu, ktorá ju formuje do tenkých vlákien. V ďalšom kroku sa tieto vlákna ochladia a navinú na kotúče. Správne miešanie zložiek a správne tavenie a tvarovanie vlákien je kľúčom k získaniu vysokokvalitných vlákien, ktoré budú dobre fungovať v 3D tlačiarňach.

Medzi typické aplikácie ABS patrí okrem iného biela technika, cyklistické prilby alebo detské stavebnice. ABS sa používa aj na výrobu najrôznejších puzdier, krytov, úchytov, pák alebo malých ozdobných prvkov. Dôležité je, že tento materiál by nemal prísť do kontaktu s potravinami.

PLA (polylaktid)

Je to netoxický a biologicky odbúrateľný typ filamentu, ktorý sa ľahko spracováva a je bezpečný pre životné prostredie, vďaka čomu je v súčasnosti najobľúbenejším filamentom pre 3D tlač. PLA je pružnejší a menej odolný vysokej teplote ako ABS. Zároveň sa z neho ľahšie tlačí, pretože sa nedeformuje a nevyžaduje vyhrievací stôl, potrebuje nižšiu teplotu tlače (180 – 230 °C) a neuvoľňuje nepríjemné pachy. Použitie PLA je veľmi široké a zahŕňa napríklad výstavné výrobky (figúrky) alebo najrôznejšie konštrukčné prvky, čo uľahčuje dostupnosť mnohých farebných verzií. Filamenty PLA vznikajú procesom termoplastickej syntézy. Tento proces zahŕňa miešanie prírodných surovín (napr. kukuričného škrobu) s chemickými prísadami, ako je kyselina mliečna (kyselina polymliečna) a polyetylénglykol. Táto hmota sa podobne ako prakticky všetky filamenty zahrieva na vysokú teplotu a potom prechádza cez vhodnú dýzu, ktorá ju formuje do tenkých vlákien. V ďalšom kroku sa tieto vlákna samozrejme ochladia a potom sa navinú na kotúče.

Keďže sa vyznačuje nízkou odolnosťou proti vyššej teplote, diely z neho vytlačené by sa nemali používať pri teplote nad 55 – 60 °C. Na druhej strane je veľkou výhodou vhodnosť použitia dielov z tejto suroviny ako základu pri práci so špecializovanými vláknami (napr. vodivými) a biologická odbúrateľnosť.

PETG (polyetyléntereftalát s prímesou glykolu)

Ide o odolný a pružný typ filamentu s plnou odolnosťou proti vode a chemikáliám, preto sa pravidelne používa na tlač predmetov, ako sú fľaše a iné obaly. Filamenty PETG sa vyrábajú pomocou termoplastickej syntézy surovín, ako sú kyselina tereftalová a glycerol, a niekoľkých ďalších chemických látok vrátane antioxidantov a stabilizátorov. Odolnosť tohto filamentu proti chemikáliám (olejom, tukom alebo benzínu) je jeho veľkou výhodou, a preto je jeho použitie veľmi rozšírené. Vyznačuje sa aj priehľadnosťou, ktorá je dôležitá pri mnohých aplikáciách.

PA (nylon)

Je to pevný a pružný typ filamentu, ktorý je nerozpustný a odolný proti oderu a mechanickému poškodeniu. Nylon sa často používa na tlač dielov, ktoré musia odolávať veľkým zaťaženiam, ako sú napríklad ozubené kolesá alebo rozperné pružiny. Zároveň treba mať na pamäti jeho hygroskopické vlastnosti a počas tlače sa chrániť pred škodlivými výparmi, ktoré uvoľňuje. Nylonové filamenty sa vytvárajú procesom termoplastickej syntézy za použitia surovín, ako je kyselina azealínová a glycerol, do ktorých sa ďalej pridávajú antioxidanty a stabilizátory.

PC (polyakrylonitril)

Ide o typ filamentu, ktorý odoláva vysokým teplotám a má vysokú trvanlivosť. PC, označovaný ako polykarbonát, sa často používa na tlač dielov, ktoré musia odolávať vysokej teplote a zaťaženiu. PC filamenty sa vytvárajú procesom termoplastickej syntézy, pri ktorom sa suroviny, ako je bisfenol A a kyselina karboxylová, zmiešajú spolu s chemickými prísadami vo forme antioxidantov a stabilizátorov.

TPE (termoplastické elastoméry) a ich varianty

Tento plast má vlastnosti podobné kaučuku, vďaka čomu je mimoriadne pružný a odolný. Treba však poznamenať, že v podstate nejde o jeden typ materiálu, ale o celú širokú triedu kopolymérov a zmesí polymérov, ktorých mäkké a pružné vlákna dokážu odolať namáhaniu, ktoré nedosahuje ABS ani PLA. Filamenty TPE sa bežne používajú pri výrobe automobilových súčiastok, domácich spotrebičov a zdravotníckych pomôcok, ale nie je ľahké s nimi manipulovať – TPE často spôsobuje ťažkosti pri lisovaní.

Špeciálnym druhom TPE je termoplastický polyuretán (TPU), ktorého filamenty sú veľmi populárne. V porovnaní s bežným TPE je tento materiál o niečo tuhší, čo uľahčuje tlač. Je tiež o niečo odolnejší a lepšie si zachováva svoju pružnosť pri nízkej teplote. Podobne ako TPE je však aj tento filament náročný na tlač – vyžaduje úzku dráhu filamentu a nízku rýchlosť tlače pri teplote v rozmedzí 210 až 230 °C.

Ďalším variantom TPE je termoplastický kopolyester (TPC). Nie je taký rozšírený, ale v určitých aplikáciách má výhodu vyššej odolnosti proti chemikáliám, UV žiareniu a teplote, ktorá môže dosiahnuť až 150 °C bez prílišného poškodenia materiálu.

3D tlač v prototypovaní

Význam 3D tlače pre prototypovanie sa dnes nedá dostatočne oceniť. Táto technológia umožňuje rýchle a lacné vytváranie fyzických modelov, čo skracuje fázu návrhu a testovania a umožňuje oveľa rýchlejšie implementovať výrobok do jeho konečnej podoby. Spoliehajúc sa na 3D tlač, dizajnéri a inžinieri môžu vytvoriť viacero fyzických variantov daného výrobku, na ktorých môžu otestovať tvar, veľkosť a funkčnosť a nakoniec vybrať najlepšiu možnosť. To dokonale funguje napríklad v automobilovom priemysle, kde sa 3D tlač vo veľkej miere využíva pri navrhovaní a prototypovaní komponentov karosérie alebo dielov, ktoré sa neskôr montujú do interiéru vozidiel.

Ďalším príkladom využitia 3D tlače pri tvorbe prototypov je výroba lekárskych modelov, ako sú protézy, endoprotézy alebo chirurgické nástroje. Aj tu má veľký význam skrátenie času hľadania finálnej podoby, preto popularita 3D tlačiarní v medicínskom priemysle rastie veľmi vysokým tempom. Nakoniec treba spomenúť aj prototypovanie samotných vstrekovacích foriem – aj tu použitie 3D tlače v konečnom dôsledku umožňuje rýchlu a jednoduchú výrobu nových plastových výrobkov.

Využívanie 3D tlače v procesoch prototypovania má ešte jeden rozmer, a to finančný. Výroba prototypov vlastnými silami namiesto ich zadávania externým dodávateľom je oveľa menej nákladná a mimochodom lepšie chráni duševné vlastníctvo príslušného výrobcu.

3D tlač v elektronike

Je zrejmé, že 3D tlač si našla cestu aj k projektovaniu elektroniky. Pri projektovaní CAD/CAM sa v samostatných programoch navrhujú dosky plošných spojov, elektrotechnika a puzdrá. Vďaka možnosti okamžitej tlače sa tieto puzdrá dajú rýchlo a efektívne navrhnúť a vymodelovať do optimálnej podoby.

Nedávny vývoj však umožnil urobiť niečo viac: vytlačiť puzdro spolu s elektronikou zapustenou vnútri. Je to výsledok spojenia dvoch doteraz celkom nezávislých procesov – 3D tlače a automatického osadzovania súčiastok na PCB s veľmi zaujímavým riešením, ktorým je vodivý filament. Výsledkom je teda stroj na výrobu plne funkčných elektronických zariadení. Najprv treba vo vhodnom prostredí navrhnúť celý obvod a potom ho poslať do softvéru, ktorý to celé spojí do súboru, z ktorého tlačiareň načíta informácie o tlači puzdra, vytvorení vodivých spojov a spôsobe osadzovania súčiastok.

3D tlač umožňuje aj malosériovú výrobu, výrobu na mieru alebo výrobu komponentov na beta testovanie. Okrem toho umožňuje aj vytváranie náhradných dielov pre zariadenia na mieru, ktoré sú zvyčajne veľmi drahé.

Filamenty v ponuke TME

TME ponúka filamenty vyrábané viacerými uznávanými dodávateľmi, ktoré predstavujú široké spektrum materiálov na báze syntetických aj prírodných zložiek. Ide o také materiály ako ABS v rôznych verziách, ASA (akrylonitril-styrén-akrylát), HIPS (High Impact Polystyrene), PA (nylon, teda polyamid), PCABS (zmes polykarbonátu a ABS), PET (polyetyléntereftalát), PLA (polylaktyd), PMMA (polymetylmetakrylát), PVA (polyvinylalkohol), SILK (verzia lesklého PLA) a termoplastické elastoméry TPE a TPU.

Sortiment dopĺňajú filamenty prispôsobené špecializovaným priemyselným aplikáciám zo série iglidur® na báze vysokoúčinných základných polymérov dopovaných rôznymi druhmi vlákien a pevných mazív. Posledné spomenuté zložky dodávajú materiálom preferované vlastnosti požadované pri špecifických úzkych aplikáciách, ako je trvanlivosť, pevnosť alebo znížené trenie a opotrebovanie dielov z nich vytlačených. Vďaka tomu sú okrem iného ideálne na výrobu ložísk.

Text spracovala spoločnosť Transfer Multisort Elektronik, Sp. z o. o.