Обзор материалов для 3D-печати и их применения — Полимерные материалы для 3D-печати

Технология 3D-печати — это интеллектуальная технология производства, возникшая в 1980-х годах и объединяющая в себе машины, компьютеры, системы числового управления и материалы. Основной принцип этой технологии заключается в том, что в соответствии с информацией о двухмерном сечении, полученной в результате послойной обработки трехмерных твердых деталей, точки, линии или поверхности используются в качестве базовых единиц для укладки и производства слой за слоем, и в итоге получаются твердые детали или прототипы. 3D-печать отличается от традиционных производственных методов уменьшения материалов (таких как резка) и равных материалов (таких как ковка). Она позволяет изготавливать сложные структурные детали, которые невозможно или трудно получить традиционными методами, а также значительно сократить время обработки и сократить цикл обработки. Поэтому ей уделяется большое внимание со стороны исследователей по всему миру.

Технология 3D-печати впервые была применена для быстрого изготовления различных прототипов, поэтому на первых порах ее также называли быстрым прототипированием (Rapid Prototyping, RP). Из-за ограничения типов материалов в ранних технологиях 3D-печати в основном использовались органические полимерные материалы, а их механические и химические свойства в большинстве случаев не могли удовлетворить потребности практического применения. С развитием технологии материалов и оборудования становится все более актуальным применение этой технологии для производства компонентов терминалов. Поэтому не только повышаются требования к оборудованию для 3D-печати, но и растут требования к различным свойствам материалов для 3D-печати.

Материал для 3D-печати является важной материальной основой технологии 3D-печати, и его характеристики во многом определяют комплексные характеристики формируемых деталей. На сегодняшний день существует множество категорий материалов, в основном это полимерные материалы, металлические материалы, керамические материалы и т.д. В этой статье сначала представлены характеристики, требования к производительности и соответствующие области применения полимерных материалов.

Термопластичный полимер — один из самых распространенных материалов для 3D-печати. К распространенным термопластичным полимерам для 3D-печати относятся акрилонитрил-бутадиен-стирольный пластик (акрилонитрил-бутадиен), полимолочная кислота (PLA), полиамид (нейлон) (PA), поликарбонат (PC), полистирол (PS), поликапролактон (PCL), полифенилсульфон (PPSF), термопластичный полиуретан (эластичная резина), полиэфирэфиркетон (PEEK) и др.

PLA и акрилонитрил-бутадиен — наиболее часто используемые расходные материалы для FDM, которые очень популярны благодаря своей низкой цене. Бутадиен акрилонитрила — распространенный инженерный пластик с хорошими механическими свойствами, но в условиях 3D-печати он подвержен деформации и раздражающему запаху во время печати. PLA — это биоразлагаемый и экологически чистый пластик с хорошими характеристиками печати. Он является идеальным термопластичным полимером для 3D-печати и широко используется в образовании, медицине, архитектуре, дизайне форм и других отраслях. Кроме того, PLA обладает хорошей биосовместимостью, а модифицированный гидроксиапатитом PLA может использоваться для изготовления тканеинженерных скаффолдов.

ПА — это полукристаллический полимер, который может быть сформирован методом SLS для получения компонентов с высоким удельным весом и высокой прочностью, и является одним из основных расходных материалов SLS. ПА, используемый в SLS, должен обладать высокой сферичностью и однородностью размера частиц, и обычно готовится методом низкотемпературного пульверизации. Композитный порошок ПА может быть приготовлен путем добавления неорганических материалов, таких как стеклянные шарики, глина, алюминиевая пудра, углеродное волокно и т.д. Добавление этих неорганических наполнителей может значительно улучшить характеристики в некоторых аспектах, таких как прочность, теплостойкость, проводимость и т.д., чтобы удовлетворить требования к применению в различных областях.

PCL — это нетоксичный термопластик с низкой температурой плавления. Проволока PCL в основном используется в качестве расходного материала для детских 3D-ручек. Благодаря низкой температуре формования (80~100 °С) она обладает высокой безопасностью. Стоит отметить, что PCL обладает отличной биосовместимостью и деградируемостью, что может быть использовано в качестве материала для лесов для тканевой инженерии в биомедицине. Механические свойства и биосовместимость также могут быть улучшены путем допирования нано-гидроксиапатитом и другими материалами. Кроме того, материалы из PCL обладают эффектом памяти формы, что имеет определенный потенциал в 4D-печати.

Эластомерная резина — это термопластичный полимер с хорошей эластичностью. Диапазон его твердости широк и регулируется, он обладает определенной износостойкостью и маслостойкостью. Она подходит для изготовления обувных материалов, товаров личного потребления, промышленных компонентов и т. д. В сочетании с технологией 3D-печати можно получить сложную пористую структуру, которую трудно изготовить с помощью традиционной технологии формования, что придает деталям уникальные и регулируемые механические свойства. Эластичные характеристики и прочность пористой эластичной резиновой стельки, напечатанной с помощью технологии SLS, достигли рыночного стандарта.

Полиэфирэфиркетон (PEEK, ПЭЭК)  — это полукристаллический полимер с высокой температурой плавления (343 °С), отличными механическими свойствами и превосходной биосовместимостью. В настоящее время он является востребованным материалом для 3D-печати. Модуль Юнга чистого PEEK составляет 3,86 ± 0,72 ГПа, а после армирования углеродным волокном он может достигать 21,1 ± 2,3 ГПа, что наиболее близко к модулю Юнга человеческой кости. После имплантации в человеческое тело он может эффективно избегать явлений экранирования напряжения и расшатывания кости. Это идеальный материал для ортопедических имплантатов. Имплантаты PEEK, изготовленные по технологии 3D-печати (рис. 1), могут удовлетворить индивидуальные требования к персонализированным имплантатам для разных пациентов с различными заболеваниями. В настоящее время имплантаты PEEK, изготовленные методом 3D-печати в Китае, достигли хороших результатов в клинической практике.