Полимеры для 3D-печати

Полимеры для 3D-печати обладают уникальной комбинацией механических, термических и химических свойств, обеспечивающих точность и стабильность процесса аддитивного производства. Основные классы материалов включают термопласты, фотополимеры и композиционные полимеры.

Термопласты являются наиболее распространёнными материалами для FDM/FFF-печати. Ключевые представители: полилактид (PLA), абсорбируемый полимолочная кислота (ABS), полиэтилентерефталат (PETG), поликарбонаты (PC). Их важнейшие свойства:

• Температура плавления и стеклования, определяющая режим экструдирования и адгезию слоёв.
• Вязкость расплава, влияющая на точность формирования слоёв и минимизацию дефектов.
• Кристалличность, определяющая усадку и деформацию изделия после охлаждения.

Фотополимеры применяются преимущественно в SLA и DLP-технологиях. Основой служат акрилаты и эпоксидные мономеры, которые отверждаются при воздействии УФ-излучения. Их ключевые свойства:

• Скорость полимеризации, влияющая на время печати и структурную прочность.
• Фоточувствительность, определяющая разрешение и точность печати.
• Усадка при отверждении, требующая контроля толщины слоёв для минимизации внутренних напряжений.

Композиционные полимеры включают полимеры, армированные наполнителями: стекловолокном, углеродными нанотрубками, керамическими частицами. Такие материалы обеспечивают улучшенные механические характеристики, термостойкость и электроизоляционные свойства.

Механические свойства и адгезия слоёв

Ключевой проблемой аддитивного производства является адгезия между слоями. Влияние оказывают:

• Температура расплава и подложки.
• Скорость охлаждения.
• Химическая совместимость между слоями.

Полимеры с высокой кристалличностью (например, полиэтилентерефталат) имеют тенденцию к усадке и короблению, что требует применения подогреваемой платформы и камер контроля температуры. Аморфные полимеры, такие как PLA, демонстрируют меньшую усадку и упрощённый процесс печати.

Химическая модификация и функциональные добавки

Для улучшения свойств полимеров применяются химические модификации:

• Сополимеризация, позволяющая регулировать термические свойства и вязкость.
• Блок-сополимеры и кросслинки, повышающие прочность и устойчивость к деформации.
• Добавки-усилители, включая пластификаторы, стабилизаторы УФ и антиоксиданты, обеспечивающие долговечность изделий.

Технологические аспекты переработки

Процесс 3D-печати предъявляет особые требования к полимерам:

• Термостабильность при длительном нагреве в экструдерах.
• Однородность гранул и отсутствие пузырей, чтобы исключить дефекты в слое.
• Контроль молекулярной массы, так как низкомолекулярные фракции снижают прочность изделия и точность печати.

Перспективные материалы

Разрабатываются полимеры с улучшенной экологической устойчивостью и функциональностью:

• Биоразлагаемые и компостируемые полимеры на основе PLA, PHA, PBS.
• Проводящие и сенсорные полимеры, применяемые в электронике и умных устройствах.
• Нанокомпозиции, повышающие механическую прочность и термостойкость без увеличения веса изделия.

Каждый тип полимерного материала требует комплексного подхода к синтезу, модификации и технологическому процессу, чтобы обеспечить оптимальные свойства изделия в 3D-печати.