Главная
/
Блог
/
3D-печать металлом с помощью высокопрочных филаментов от BASF
10.06.2022

3D-печать металлом с помощью высокопрочных филаментов от BASF

Из статьи Вы узнаете, как при помощи металлонаполненной нити произвести настоящие металлические детали и потратить на это в разы меньше по сравнению с другими промышленными методами 3D-печати металлом.

Настоящие металлические детали из нити?

металлические детали из филамента Ultrafuse BASF Forward AM

На фото: металлические детали из филамента Ultrafuse BASF Forward AM

Металлонаполненные филаменты открыли расширили доступ к 3D-печати металлом для широкой аудитории профессионалов, которые не могли себе позволить ее раньше по причине слишком высокой стоимости. Несмотря на то, что технология относительно новая, 3D-печать металлической нитью набирает популярность и используется для печати многих деталей — от небольших запасных частей до прототипов.

Только за последний год несколько производителей 3D-принтеров, включая Ultimaker, BCN3D, Anycubic и MakerBot, запустили профили принтеров, которые позволяют печатать металлической нитью на своих аппаратах, в то время как другие производители объявили о запуске новых 3D-принтеров для печати металлической нитью. А компания Raise3D выпустила целую систему печати металлом, включающую 3D-принтер для печати и устройства для постобработки для получения готового металлического изделия: устройство для удаления связующего полимера и печь для спекания. А сервисы по 3D-печати уже печатают металлические детали на заказ, например, студия инновационной 3D-печати www.Best3DPrint.ru

Какие детали можно произвести с помощью этой более доступной технологии, и почему вы можете захотеть ей воспользоваться? В статье мы рассмотрим ее уникальные особенности и возможности, затем покажем, как печатать с помощью металлической нити, и, наконец, рассмотрим ее сильные и слабые стороны.

Настоящие металлические детали из нити?

Металлические филаменты BASF и изделия из них, подвергшиеся постобработке и состоящие на 100% из стали

На фото: металлические филаменты BASF и изделия из них, подвергшиеся постобработке и состоящие на 100% из стали

Металлическая или металлонаполненная нить для 3D-печати металлических деталей состоит из пластиковой основы с равномерно распределенными в ней металлическими частицами. Это уникальный тип композитной нити, которая может давать прочные, химически стойкие и твердые металлические детали при правильном использовании.

Если вы знакомы с пластиковой нитью с углеродным волокном или стекловолокном (carbon и glass fiber), вы понимаете, что такое металлонаполненная нить. Но есть одно существенное отличие: при изготовлении металлических деталей пластик удаляется при постобработке и остается только металл (или в основном металл).

Металлические нити для изготовления металлических деталей должны содержать высокий процент металлического порошка (около 80%) и подвергаться стадиям постобработки для удаления пластикового компонента и уплотнения металлической части.

Это не просто декоративный металл или материал металлического цвета

Не путайте эти металлические нити с теми, которые просто называются «алюминий» или «медь» для обозначения цвета, а также с PLA + metal, которые включают только от 5% до 40% металлического порошка в эстетических целях. Металлическая нить для металлических деталей производится только несколькими компаниями.

Некоторые декоративные металлические нити, такие как MetalFil Classic Copper Formfutura и наполненный металлом ProtoPasta PLA также содержат высокий процент металлического порошка (до 80%), но предназначены для имитации металла только для внешнего вида. Они не подвергаются постобработке для удаления пластика, но могут быть отшлифованы или отполированы. Помимо декоративных деталей, эти материалы идеально подходят для визуальных прототипов деталей, которые в конечном итоге будут изготовлены из металла, либо отлиты, либо напечатаны другим способом.

Размещение связанного металла

Существует метод «размещения связанного металла» (BMD или bound metal deposition). Это процесс, основанный на экструзии, где используются металлические стержни или порошковые металлические нити, состоящие из гораздо большего процента металлического порошка, чем нити, используемые в FDM. Но лишь несколько 3D-принтеров используют этот метод, например, Metal X от Markforged и Studio System от Desktop Metal, и стоят они более 100 000 долларов. Состав материала запатентован, но содержит металлический порошок, связанный воском или полимером, как и в нити.

На поверхности метод не сильно отличается от рассматриваемой выше FDM-печати металлом, за исключением некоторых плюсов, например, легко снимаемых поддержек. Кроме того, 3D-принтеры BMD используют только собственные запатентованные материалы. В свою очередь, металлическая нить поставляется от нескольких производителей, но предназначена для печати на широком спектре 3D-принтеров.

Недавно 3DGence объявила о скором выпуске принтеров Element MP260 и MP350 FDM, которые печатают собственным металлическим материалом. Сартап под названием FUSELab собирается представить свой собственный металлический принтер под названием FL300M.

Как печатать металлической нитью

Деталь из металлического филамента, напечатанная на 3D-принтере

На фото: деталь из металлического филамента, напечатанная на 3D-принтере

Ключевым преимуществом металлической нити является то, насколько легко печатать ей на обычном 3D-принтере. Под «обычным» мы подразумеваем любой FDM-принтер с закрытой камерой и закаленным стальным соплом, который может достигать требуемых температур.

В то же время, печать нитью происходит относительно медленно. В зависимости от принтера и конструкции детали печать происходит со скоростью 30-40 мм/с. С аналогичной скоростью печатают нейлоном.

Есть некоторые нюансы, которые нужно учесть для успешной печати металлическим филаментом, например, нежелательно печатать детали с выступами, поскольку они могут провисать в процессе спекания, или лучше печатать широкую модель, чем высокую. Хоть эти особенности и ограничивают в формах, метод очень полезен, не требует больших затрат на настройку и производство.

Как и в случае с печатью любой другой нитью, существуют идеальные настройки слайсера и 3D-принтера, которые гарантируют максимально хороший результат без экспериментов с температурой и скоростью. Лишь некоторые производители FDM 3D-принтеров (Makerbot, Ultimaker, Raise3D и BCN3D) сертифицировали металлическую нить марки Ultrafuse для использования на своих принтерах и подобрали идеальные настройки печати путем проведения множества тестов и экспериментов.

Другие принтеры тоже могут соответствовать минимальным требованиям к температуре камеры и сопла, но производители не тестировали и не сертифицировали печать металлической нитью. Это не значит, что на них нельзя работать, но вы можете получить какое-то количество брака, прежде чем подберете идеальные настройки.

Усадка металлических деталей

Нужно учитывать, что детали подвергаются усадке во время последующей обработки (от 18% до 25% от их первоначального объема в зависимости от конструкции и марки нити), потому что пластиковый материал из них удаляется, а оставшийся металл уплотняется. Это создает дополнительную сложность при печати функциональных деталей, где точность размеров чрезвычайно важна. Однако коэффициент усадки постоянен, поэтому вы можете масштабировать свои изчальные CAD-модели.

Ultrafuse от BASF Forward AM обладает степенью усадки 16-17% по оси XY и 19-20% по оси Z. The Virtual Foundry Filamet — около 5% у медного и бронзового, 10% у филамента из стали, по оси Z немного больше. В компании говорят, что, в целом, нормальная усадка составляет 7-10%. Конечные детали будут обладать плотностью 80-85%, но их можно спекать дольше, тогда усадка и плотность тоже будут больше.

BASF выпустила руководство пользователя для Ultrafuse, где есть полезная информация о допусках, усадке и масштабировании, толщине стенки и многом другом.

Дизайн для металлической нити

В отличие от печати пластиковыми филаментами, при печати металлической нитью из-за последующего процесса очистки и спекания происходит некоторое изменение вида напечатанной модели. Может показаться, что ваша деталь напечатана идеально, но после очистки и спекания она может изменитьcя.

Во-первых, согласно руководству по печати металлической нитью, разработанному компанией MakerBot, соотношение высоты к ширине не должно превышать параметра 3:1, а соотношение высоты стенки к ее ширине должно быть ниже 6:1. Иначе возможны сильные искажения при постобработке. Кроме того, MakerBot советует печатать детали как можно более плоскими и добавлять больше поддержек. Благодаря точной оценке ориентации детали и расстановки поддержек на этапе печати можно значительно уменьшить разрушение и деформацию детали.

Требуется постобработка

печь для вакуумного спекания S200-C от Raise3D MetalFuse Forge1

На фото: печь для вакуумного спекания S200-C от Raise3D MetalFuse Forge1

Сразу после печати деталь еще не прочная и не пригодна для использования. Результат печати, называемый еще «зеленой» деталью, хрупкий и не обладает характеристиками чистого металла. Необходима постобработка.

После печати зеленая деталь проходит через дебиндинг — процесс очистки от связующего полимера с использованием кислоты, которая растворяет пластик. Деталь получается пористая и называется «коричневой».  Нить Filamet не требует химической очистки, для удаления полимера используется печь. Устройство для очистки от компании Raise3D использует в качестве основного компонента щавелевую кислоту, которая экологичнее других растворителей.

Затем «коричневая» деталь спекается в печи. Печь равномерно нагревает деталь до температуры чуть ниже температуры плавления, удаляя все оставшееся связующее и сплавляя металлические частицы до образования плотных деталей.

Вы можете задаться вопросом, зачем печатать металлической нитью, если нет оборудования для очистки и печи для спекания. Но и тут можно найти выход: отправить напечатанные детали для профессиональной постобработки на аутсорсинг, например, в компанию Best3DPrint.

Высокая прочность

Металлический филамент Ultrafuse 316L от компании BASF)

На фото: металлический филамент Ultrafuse 316L от компании BASF)

Металлическая нить существует на рынке уже достаточно времени, чтобы детали из нее протестировали для многих сфер применения. Она прочнее почти всех пластиков, совместимых с FDM-печатью, и детали из нее обладают характеристиками, которые вы ждете от твердых металлических изделий.

Хороший вопрос: «А что насчет слоев?». Недавнее исследование показало, что, если направление слоя параллельно направлению растяжения, то деталь имеет гораздо меньшую прочность, чем когда направление слоя перпендикулярно направлению растяжения. Исследование проводилось с использованием материала, состоящего из 60% металла и 40% связующего пластика.

Ultrafuse показывают аналогичные значения прочности по XY и YZ.

Тем не менее, форма и расположение при печати играют решающую роль. Чтобы снизить риск механической деформации, можно выполнить предварительное моделирование усадки. Специальное программное обеспечение Raise3D выполняет расчет усадки до печати. BASF Forward AM предлагает предварительное моделирование в качестве услуги. Происходит оценка структурной целостности детали, дается визуальное представление о том, какие структурные особенности подвержены риску.

3D-печать металлической нитью может не подойти там, где требуются особенные прочностные характеристики конечной детали. Однако, экономические факторы производства металлических компонентов на FDM-принтере могут перевесить минусы, и там, где нет слишком высокой нагрузки на деталь, решение о его применении обосновано.

Варианты металлической нити

Печать металлических деталей на 3D-принтере Forge1 от Raise3D с использованием металлической нити UltrafuseUltrafuse by Forward AM

На фото: печать металлических деталей на 3D-принтере Forge1 от Raise3D с использованием металлической нити UltrafuseUltrafuse by Forward AM

Ultrafuse by Forward AM

BAS, материнская компания Forward AM, — крупнейший в мире немецкий химических концерн. Он производит металлонаполненную нить Ultrafuse из нержавеющей стали 316L и PH 17-4. Обе нити содержат 80% металлического порошка и 20% фирменного связующего полимера.

Ultrafuse 17-4 PH, также называемый типом 630, представляет собой закаленную хромированной медью нержавеющую сталь, которая является магнитной и поддерживает хорошую механическую и коррозионную стойкость при температурах до 315 ° C. По заявлению компании, Ultrafuse 316L имеет широкий спектр применений, включая оснастку, инструменты и приспособления, мелкосерийное производство, функциональные детали и прототипы.

Нить доступна в катушках весом 1 и 3 кг. Как и следовало ожидать, стоит она недешево, значительно дороже стандартных пластиков для 3D-печати, но, по словам Forward AM, ниже, чем многие усиленные углеродным волокном нити PA, и значительно снижает стоимость производства мелких и средних металлических компонентов. В зависимости от формы и размера детали, производство с помощью Ultrafuse может быть дешевле, чем любая другая технология металлического аддитивного производства. Печать Ultrafuse 316L в 1,4-2 раза дешевле, чем печать большинством металлических порошков на промышленных металлических принтерах.

Деталь из Ultrafuse 316L от BASF Forward AM

На фото: деталь из Ultrafuse 316L от BASF Forward AM

Характеристики Ultrafuse:

  • Диаметр материала: 1.75 мм, 2.85 мм
  • Размер катушки: 1 кг, 3 кг
  • Состав: 80% нержавеющая сталь 316L;
    80% нержавеющая сталь PH 17-4;
    20% связующий термопластик
  • Температура сопла: 220-245 °C
  • Температура камеры: 90-100 °C
  • Охлаждение: не требуется
  • Скорость печати: 30-40 мм/с
  • Печатная платформа: стекло с клеем
  • Сопло: любое износостойкое сопло (сталь, рубин и др.)
  • Плотность детали после спекания: 7.85 кг/м3 (Ultrafuse 316L); 7.6 кг/м3 (Ultrafuse 17-4 PH)
  • Средняя усадка: X и Y 16%, Z 20%
  • Рекомендуемые начальные коэффициенты масштабирования: X и Y 120%, Z 125%

Ultrafuse доступен к покупке у производителя и дистрибьюторов по всему миру. В России вы можете заказать его в магазине «Цветной мир».

Filamet от The Virtual Foundry

Печать металлом,3дпечать металлом,3d печать металлом,печать сталью,3д печать сталью 3d печать сталью,печать металлом на заказ,3д печать на заказ,3d печать на заказ

Американский производитель материалов The Virtual Foundry специализируется на производстве металлической нити Filamet и предлагает девять видов, включая нить из нержавеющей стали 316L, стали Inconel 718-34 F, титана, меди и алюминия.

Филамент из нержавеющей стали 316L от The Virtual Foundry содержит около 85% металла, и, по заявлению компании, его можно использовать на любом FDM-принтере. Однако, внимательно следуйте инструкциям, потому что может понадобиться дополнительное оборудование. Например, для печати нитью 316L этой компании нужен нагреватель FilaWarmer для предварительного нагрева филамента.

Нитью Filamet можно печатать при более низкой температуре сопла (205-235 °C) и гораздо более низкой температуре камеры (40-50 °C) соплом из нержавеющей стали диаметром 0,6 мм, в то время как для Ultrafuse можно использовать более стандартное сопло 0,4 мм.

Из-за высокого содержания металла Filamet проще сломать, чем стандартный PLA. Компания рекомендует подвешивать катушку прямо над 3D-принтером с прямой подачей или рядом или под экструдером с системой «боуден».

The Virtual Foundry предлагает профили принтера, которые вы можете загрузить в слайсер и использовать в качестве отправной точки для экспериментов с материалом.

Для постобработки материала этой компании используется одноступенчатый процесс – только нагрев в печи. Компания продает печи двух размеров – Starter и Pro.

Характеристики Filamet:

  • Диаметр материала: 1.75 мм, 2.85 мм, гранулы
  • Размер катушки: 500 г, 1 кг
  • Состав: 80% нержавеющая сталь 316L;
    80% нержавеющая сталь 17-4 PH;
    20% связующий термопластик
  • Температура сопла: 205-235 °C
  • Температура камеры: 40-50 °C
  • Охлаждение: не требуется
  • Скорость печати: 30 мм/с
  • Печатная платформа: любой материал, но со слоем между печатаемой деталью и платформой (например, синяя малярная лента или клей)
  • Сопло: диаметром 0,6 мм или больше, стандартная нержавеющая сталь

Zetimix от Nanoe

Французский производитель материалов Nanoe предлагает нить из нержавеющей стали 316L и нить из инструментальной стали H13. Обе содержат от 52% до 55% металла в связующем, поэтому могут печататься при гораздо более низкой температуре сопла, чем другие марки. Усадка составляет от 16% до 21,3% в зависимости от материала и формы, а плотность конечных деталей от 90% до 91%.

Характеристики Zetimix:

  • Диаметр материала: 1.75 мм, 2.85 мм
  • Размер катушки: 500 г, 1 кг
  • Cостав: 55% нержавеющая сталь 316L;
    52% сталь H13;
    остальное – связующий пластик
  • Температура сопла: 180 ° C
  • Температура камеры: 30 ° C
  • Охлаждение: не требуется
  • Скорость печати: от 15 до 50 мм/с в зависимости от формы детали
  • Сопло: диаметром 0,6 мм или больше,стандартная нержавеющая сталь
  • Рекомендуемые начальные коэффициенты масштабирования: X и Y 120%, Z 125%
Автор: Джексон О’Коннелл
Источник: https://all3dp.com