Руководство по 3D-печати нейлоном: Сравнение процессов, материалов и применений

Нейлон, также известный как полиамид (ПА), стал популярным материалом для производителей, инженеров и дизайнеров для самого широкого спектра применений с тех пор, как он впервые появился в коммерческом использовании в 1938 году. Прочность, долговечность, ударная вязкость и эластичность нейлона, а также устойчивость к нагреву, химическим веществам, абразивному износу и ударам привели к его высокой степени внедрения в различных отраслях промышленности.

Нейлон также является одним из самых популярных материалов для 3D-печати, используемым для производства прочных, функциональных деталей, включая функциональные прототипы и конечные изделия для электроники, автомобилестроения, аэрокосмической отрасли, медицинских устройств, товаров народного потребления и много другого.

Процессы аддитивного производства, позволяющие осуществлять 3D-печать нейлоном, включают селективное лазерное спекание (SLS), Multi Jet Fusion (MJF) и моделирование методом наплавления (FDM). Выбор подходящего процесса требует тщательного понимания технологий и материалов для 3D-печати нейлоном. К счастью, мы создали это комплексное руководство.

Зачем использовать 3D-печать нейлоном?

Нейлон: Популярный пластик

Хотя первое коммерческое использование нейлона произошло в зубных щетках в 1938 году, по-настоящему он громко заявил о себе на Всемирной выставке 1939 года в качестве основного материала для нового вида дамских чулок, которые быстро стали известны как «нейлон». Те же качества, которые делали его столь привлекательным в качестве волокна для текстиля — такие как эластичность, долговечность и устойчивость к истиранию — сделали его полезным для аэрокосмической и автомобильной промышленности, производителей потребительских товаров и всех остальных, кто нуждался в производстве долговечных пластиковых деталей.

Сегодня нейлон используется во всем: от бытовых и коммерческих систем вентиляции до рыболовного снаряжения и корпусов батарей. По мере того как он превращался из «материала, который выиграл Вторую мировую войну» в материал повседневного использования, инновационные химики и производители продолжали расширять сферы применения нейлона.

Обычные изделия, такие как шайбы, болты, подшипники и шестерни, можно найти во всем — от мебели и спортивного инвентаря до автомобилей и самолетов. Пищевая упаковка часто содержит нейлон. Благодаря термостойкости и электроизоляционным свойствам нейлона, производители часто выбирают его для корпусов электроники, крепления компонентов двигателя и для поддержки высокотехнологичных инженерных применений. Например, впускные коллекторы в автомобилях часто изготавливаются из нейлона, как и корпуса большинства электроинструментов.

Нейлон составляет примерно 12% всех синтетических тканей в мире, и он остается основным материалом, используемым во многих текстильных изделиях, коврах, веревках и сетях.

Свойства нейлона

Нейлон — это торговая марка для полиамида (ПА), класса инженерных термопластов, получаемых при образовании амидной связи между мономером дикислоты и мономером диамина. Их кристаллическая структура придает полиамидам высокий уровень изотропности и химической стойкости. Хотя разные типы нейлона демонстрируют разные характеристики, нейлон вообще известен своей прочностью, высокой химической стойкостью, долговечностью, стабильностью размеров и термостойкостью.

Поскольку нейлон стабилен и относительно прост в обработке, производители используют множество различных методов для создания продуктов из него. Детали из нейлона можно изготавливать с помощью различных производственных процессов, таких как литье под давлением, экструзия и, теперь, 3D-печать.

Материалы для 3D-печати нейлоном

Естественно, по мере роста популярности и полезности аддитивного производства, 3D-печать нейлоном стала основным направлением инноваций. 3D-печать нейлоном обеспечивает ценность для функционального прототипирования, серийного производства конечных products и пользовательских деталей. Многие ведущие мировые производители 3D-принтеров разработали системы, позволяющие своим клиентам печатать нейлоном.

Четыре конкретных типа полиамида наиболее часто используются в 3D-печати нейлоном: PA-6, PA-66, PA-11 и PA-12. Материалы для 3D-печати нейлоном могут быть усилены другими материалами, такими как стекловолокно и углеродное волокно, чтобы повысить их производительность по определенным параметрам, таким как прочность или жесткость, или придать им определенные свойства, такие как огнестойкость и рассеивание электростатического заряда.

Многие нейлоновые детали, особенно армированные стекловолокном, могут заменить металлические детали в автомобильной, аэрокосмической отраслях или в товарах народного потребления. Кроме того, благодаря электроизоляционным свойствам нейлон часто используется в электротехнических трубках и корпусах, таких как автоматические выключатели. Некоторые нейлоны демонстрируют высокую эластичность и прочность на изгиб, например, нейлон 11, который биотехнологически производится из касторового масла.

Хорошая устойчивость к истиранию делает нейлон ценным для применений, таких как подшипники, защелки и пряжки. Точно так же нейлон сохраняет свои эксплуатационные характеристики с течением времени намного лучше по сравнению с другими термопластами. Преимущества нейлона создали сильный спрос на технологии 3D-печати нейлоном для повышения эффективности производства без ущерба для производительности материала.

Процессы 3D-печати нейлоном

3D-принтеры для селективного лазерного спекания (SLS) нейлоном

SLS 3D-принтеры используют мощный лазер для спекания мелких частиц полимерного порошка. Неспеченный порошок поддерживает деталь во время печати и устраняет необходимость в специальных опорных структурах. Это делает SLS идеальным для сложных геометрий, включая внутренние элементы, подрезы, тонкие стенки и негативные элементы. Детали, произведенные с помощью SLS-печати, обладают превосходными механическими характеристиками, а их прочность аналогична прочности литых под давлением деталей.

Нейлон является основным материалом, используемым в SLS 3D-печати. Для большинства компаний и частных лиц, желающих использовать аддитивное производство для leveraging преимуществ нейлона, SLS 3D-принтеры, вероятно, обеспечат лучший баланс доступности и функциональности.

Когда SLS-печать завершена, пользователи опустошают всю камеру построения и извлекают напечатанные детали из неиспользованного порошка, который можно перерабатывать для минимизации отходов. Дополнительные методы SLS постобработки могут изменить качество поверхности, цвет или электропроводность деталей, напечатанных SLS-методом из нейлона.

SLS 3D-печать раньше была чрезмерно дорогой, с ценником в районе 200 000 долларов, что ограничивало процессы 3D-печати нейлоном на основе порошка сервисными бюро и крупными предприятиями. Недавно новейшие промышленные настольные SLS 3D-принтеры, такие как серия Formlabs Fuse, теперь позволяют профессионалам реализовать преимущества 3D-печати нейлоном с помощью технологии SLS, начиная всего с 30 000 долларов. Это резко снизило барьеры для входа и позволило большему числу предприятий использовать 3D-печать нейлоном в своих продуктах и рабочих процессах, включая малый и средний бизнес, который в противном случае едва ли мог起步.

Плюсы и минусы использования SLS для 3D-печати нейлоном

Детали из нейлона, напечатанные на SLS 3D-системе, близки к изотропным, что означает, что они демонстрируют сходные механические свойства при нагрузке по всем осям. Важно отметить, что многие причины для 3D-печати нейлоном — в частности, прочность и долговечность материала — могут быть реализованы только в том случае, если детали являются высокоизотропными. FDM-принтеры не производят изотропные детали и часто не могут достичь приемлемого уровня детализации, что делает SLS или MJF единственным вариантом для многих пользователей. Однако MJF и многие традиционные SLS-варианты непомерно дороги.

Кроме того, многие детали, идеально подходящие для нейлона, такие как корпуса с защелками и электротехнические кожухи, требуют среднего или высокого уровня детализации, который встречается только в деталях, произведенных на SLS- или MJF-3D-принтерах.

Порошки нейлона для SLS 3D-печати

Нейлон идеален для ряда функциональных применений, от проектирования потребительских товаров до здравоохранения.

Нейлон 12 и нейлон 11 являются наиболее распространенными однокомпонентными порошками для SLS 3D-печати. Нейлон 12 — это универсальный материал, который совместим практически со всеми SLS 3D-принтерами, в то время как нейлон 11 требует несколько более сложной инфраструктуры для печати.

Оба варианта также могут быть армированы другими материалами, такими как стекловолокно или углеродное волокно, для создания композитов с определенными свойствами, такими как повышенная прочность и жесткость, но доступность этих более нишевых материалов сильно зависит от типа принтера.

Следующие материалы совместимы с Fuse 1+ 30W:

Nylon 12

Порошок Nylon 12
Универсальный, versatile материал с высокой детализацией и отличной точностью размеров.

• Высокопроизводительное прототипирование

• Мелкосерийное производство

• Постоянные приспособления, оснастка и инструменты

• Общего назначения SLS детали
   

Nylon 11

Порошок Nylon 11
Пластичный, прочный, гибкий материал для случаев, когда ключевыми являются долговечность и производительность.

• Ударопрочные прототипы, приспособления и оснастка

• Тонкостенные воздуховоды и корпуса

• Защелки, зажимы и петли

• Ортопедические изделия и протезы*
   

Nylon 12 GF

Nylon 12 GF
Материал, наполненный стекловолокном, с повышенной жесткостью и термической стабильностью для требовательных промышленных условий.

• Прочные приспособления, оснастка и запасные части

• Детали, подвергающиеся длительной нагрузке

• Резьбы и гнезда

• Детали, подвергающиеся воздействию высоких температур
   

Nylon 11 CF Powder

Порошок Nylon 11 CF
Получите лучшее из нейлона и углеродного волокна с этим высокостабильным, легким, высокопроизводительным материалом.

• Замена и альтернативы металлическим деталям

• Оснастка, приспособления, инструменты

• Высокоударное оборудование

• Функциональные прототипы из композитов
   

Требования и рекомендации для 3D-печати нейлоном с помощью SLS

Поскольку на рынке существует широкий спектр вариантов SLS-принтеров, не существует единого набора правил для печати нейлоном с помощью SLS. Как общее правило, более крупные и дорогие SLS-системы могут требовать специально регулируемого физического пространства, специализированной энергетической инфраструктуры и собственного техника по 3D-принтерам, прошедшего обширные учебные курсы, предоставляемые производителем 3D-принтера.

С другой стороны, варианты «включи и печатай», такие как серия Formlabs Fuse, могут использоваться в обычных рабочих условиях, управляться после минимального обучения и имеют сравнительно малые габариты. Чтобы предложить компактную, замкнутую экосистему и сквозное управление порошком, принтеры серии Fuse также поставляются с Fuse Sift, который объединяет извлечение деталей, восстановление порошка, хранение и смешивание в одном отдельно стоящем устройстве, и Fuse Blast, полностью автоматизированным решением для очистки и полировки.

Рабочий процесс SLS-3D-принтеров серии Formlabs Fuse также позволяет относительно легко переключаться между порошками нейлона после тщательной очистки принтера и accompanying блока постобработки. Смена материалов в серии Fuse может занять менее трех часов — так что испытание новых порошков нейлона не должно быть невозможным или чрезмерно дорогим. С серией Fuse и Fuse Sift пользователи могут опробовать любой новый материал без необходимости покупки совершенно новой экосистемы.

3D-принтеры Multi Jet Fusion (MJF) для нейлона

 

Multi Jet Fusion — это процесс аддитивного производства на основе порошкового слоя, который производит детали, аналогичные SLS, используя несколько иной процесс. Для формирования деталей принтер наносит жидкое связующее вещество из множества маленьких сопел на слой порошка, переводя порошки в полутвердое состояние перед завершением процесса нагревом. Инфракрасный источник тепла затем отверждает полутвердую форму, после чего наносится еще один слой порошка, и процесс повторяется. MJF был запатентован Hewlett Packard в 2016 году, и HP остается единственным поставщиком MJF 3D-принтеров.

Схема процесса селективного лазерного спекания.

Схема процесса Multi Jet Fusion.

MJF-принтеры относительно быстры, хотя камера построения обычно нуждается в охлаждении примерно в два раза дольше, чем требуется для печати. Процесс MJF менее эффективен и создает больше отходов, чем технология SLS, поскольку детали нельзя плотно упаковывать в камере построения для печати.

В то время как SLS 3D-принтеры стали более доступными, цены на MJF 3D-принтеры варьируются от около 350 000 до более 600 000 долларов. В результате они в основном используются сервисными бюро и крупными внутренними лабораториями аддитивного производства компаний из списка Fortune 500.

Для подробного сравнения двух технологий прочитайте наше руководство MJF против SLS.

Плюсы и минусы использования MJF для 3D-печати нейлоном

MJF и SLS имеют много общих преимуществ. Ни один процесс не приводит к образованию опорных структур, избавляя пользователей от сложных и затратных этапов постобработки. Так же как и SLS, 3D-печать деталей из нейлона с использованием MJF-принтеров дает детали с хорошим качеством поверхности и изотропными механическими свойствами.

Порошки нейлона для MJF 3D-печати

Как и SLS 3D-принтеры, MJF 3D-принтеры производят детали с использованием порошков нейлона 12 и нейлона 11. HP также предлагает армированный стеклом нейлон 12 для повышения жесткости; однако в настоящее время нет варианта нейлона, армированного углеродным волокном, для MJF 3D-печати.

Материал	Описание	Применение
Nylon 12	Универсальный, versatile материал	Высокопроизводительное прототипирование, Мелкосерийное производство, Постоянные приспособления, оснастка и инструменты, Общие нейлоновые детали
Nylon 11	Пластичный, прочный, гибкий материал	Ударопрочные прототипы, приспособления и оснастка, Тонкостенные воздуховоды и корпуса, Защелки, зажимы и петли, Ортопедические изделия и протезы
Nylon 12 GB	Нейлон, наполненный стеклянными шариками, для жестких и стабильных по размерам деталей	Прочные приспособления, оснастка и запасные части, Детали, подвергающиеся длительной нагрузке, Резьбы и гнезда, Детали, подвергающиеся воздействию высоких температур

Требования и рекомендации для 3D-печати нейлоном с помощью MJF

Использование технологии MJF в-house требует наличия в штате квалифицированного техника по 3D-печати. Профессиональные техники также необходимы как для установки, так и для обслуживания принтера. Принтеры HP MJF требуют специализированной энергетической инфраструктуры и большого выделенного пространства для размещения машин с их большими габаритами. Как и SLS-принтеры, решения с MJF-принтерами включают дополнительное оборудование для постобработки для управления порошком и извлечения деталей.

3D-принтеры Fused Deposition Modeling (FDM) для нейлона

Моделирование методом наплавления (FDM), также известное как Fused Filament Fabrication (FFF), является наиболее широко используемой формой 3D-печати на потребительском уровне, подпитываемой появлением любительских 3D-принтеров. FDM 3D-принтеры строят детали, расплавляя и экструдируя термопластичную нить через сопло принтера, которое осаждает нить слой за слоем в области построения.

FDM 3D-принтеры обычно используют нити PLA и ABS, но машины FDM, более подходящие для профессионалов, часто также могут печатать нейлоном. Однако преимущества и недостатки технологии FDM в целом остаются в силе, поскольку FDM-принтеры в целом не способны производить детали, использующие все преимущества нейлона.

Плюсы и минусы использования FDM для 3D-печати нейлоном

Нити FDM и смеси предлагают различные варианты цветов.

Поскольку FDM-отпечатки не являются изотропными вдоль оси Z, многие преимущества нейлона, связанные с прочностью, недостижимы при использовании FDM для 3D-печати нейлоном. Нейлон, напечатанный на машине FDM, также имеет тенденцию к короблению, как и ABS.

Кроме того, поскольку нейлон очень гигроскопичен, нить нейлона может впитывать воду в течение длительной печати, оставляя слои, напечатанные на поздних стадиях, с более низким качеством, чем первые слои. Аксессуары, такие как сушильная камера, рекомендуются для предотвращения впитывания воды нитью во время печати.

Как и при FDM-печати с другими материалами, понимание оптимальных настроек для 3D-печати нейлоном обычно involves обширное тестирование. Следовательно, разработка повторяемых процессов и получение стабильных результатов для различных типов материалов для 3D-печати нейлоном может быть затруднена. Свойства готовых деталей, включая прочность и точность, могут различаться, поэтому FDM не рекомендуется для широкого функционального прототипирования или производства конечных products из нейлона.

FDM-печать может быть хорошим вариантом для быстрой печати единичных и простых нейлоновых деталей, но она не подходит для сложных деталей и больших объемов. Из-за использования опорных структур она также генерирует значительно больше отходов, чем SLS или MJF печать.

Нити нейлона для FDM 3D-печати

Нити нейлона чаще всего основаны на нейлоне 6 и нейлоне 66, так как с ними немного проще печатать, но также доступны нити из нейлона 12. Большинство нейлонов, подходящих для FDM-печати, поставляются в версиях, армированных стекло- и углеродным волокном, что может повысить жесткость, прочность и другие критические механические свойства.

Материал	Описание	Применение
Nylon 6	Универсальный, versatile материал	Прототипирование, Корпуса и кожухи
Nylon 66	Более жесткий и износостойкий материал	Прототипирование, Корпуса и кожухи
Nylon 12	Универсальный, versatile материал	Прототипирование, Корпуса и кожухи, Оснастка и приспособления
Nylon composites	Нейлон, наполненный стекло- или углеродным волокном	Детали, подвергающиеся длительной нагрузке, Прочные приспособления и оснастка

Требования и рекомендации для FDM 3D-печати нейлоном

Из существующих на рынке вариантов FDM многие доступные по цене модели оснащены возможностью 3D-печати нейлоном сразу после получения. Однако даже с этими моделями пользователи должны убедиться, что их аппаратная настройка и процесс печати поддерживают 3D-печать нейлоном.

Рекомендации по оборудованию и настройкам для использования FDM для 3D-печати нейлоном:

• Цельнометаллические хот-энды

• Возможность нагрева нити до 250° C или выше

• Подогреваемый стол для печати (идеально стеклянный) с нанесенным клеем

• Закрытый корпус во избежание коробления

• Система сушки нити для достижения оптимальных результатов

Из-за высокого водопоглощения нейлона катушки с нитью должны храниться в пластиковом герметичном контейнере, и использование осушителя перед печатью нейлоном может повысить надежность и качество.

Сравнение процессов 3D-печати нейлоном

Хотя FDM 3D-принтеры предоставляют более доступный вариант, нейлоновые детали с FDM-машины могут не обеспечить желаемых свойств материала нейлона. Большинство пользователей, желающих использовать преимущества нейлона, выберут либо SLS, либо MJF в качестве предпочтительной технологии.

	СЕЛЕКТИВНОЕ ЛАЗЕРНОЕ СПЕКАНИЕ (SLS)	MULTI JET FUSION (MJF)	МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ НАПЛАВЛЕНИЯ (FDM)
Разрешение	★★★★☆	★★★★☆	★★☆☆☆
Точность	★★★★★	★★★★★	★★★★☆
Качество поверхности	★★★★☆	★★★★☆	★★☆☆☆
Производительность	★★★★★	★★★★★	★★★☆☆
Сложные конструкции	★★★★★	★★★★★	★★★☆☆
Простота использования	★★★★☆	★★★☆☆	★★★★☆
Свойства материалов	★★★★★	★★★★★	★★★☆☆
Доступные материалы	Nylon 12, nylon 11, нейлон с углеродным и стекловолокном	Nylon 12, nylon 11, нейлон со стекловолокном	Nylon 6, nylon 66, nylon 12, нейлон с углеродным и стекловолокном
Стоимость	Настольные промышленные SLS 3D-принтеры начинаются чуть менее $30 000 за принтер и $60 000 за всю экосистему, включая управление порошком и очистку. Традиционные промышленные SLS-принтеры стоят от около $200 000.	От $350 000.	Профессиональные настольные FDM-принтеры стоят от $2 000 до $8 000, а промышленные системы доступны от $15 000.
Плюсы	Доступный, Высококачественные детали, Свобода дизайна, Не нужны опорные структуры, Высокая производительность, Упрощенный рабочий процесс, Малые габариты, Низкие эксплуатационные расходы	Большой объем построения, Высококачественные детали, Свобода дизайна, Не нужны опорные структуры, Высокая производительность	Недорогие потребительские машины и материалы, Быстро для простых, маленьких деталей, Широкий выбор цветов
Минусы	Умеренный объем построения	Дорогое оборудование, Большие габариты, Требования к помещению, Требуется выделенный оператор	Низкая точность, Детали более низкого качества, Анизотропные, Ограниченная свобода дизайна, Требуются опоры
Применения	Функциональное прототипирование, Мелкосерийное, переходное или кастомное производство, Производственная оснастка (приспособления, инструменты)	Функциональное прототипирование, Мелкосерийное, переходное или кастомное производство, Производственная оснастка (приспособления, инструменты)	Недорогое быстрое прототипирование, Базовые концепт-модели

 

Начните работу с 3D-печатью нейлоном

3D-печать нейлоном идеальна для различных применений: от функционального прототипирования до мелкосерийного, переходного или кастомного производства, а также производственной оснастки (приспособления, инструменты).

Для многих производителей 3D-печать нейлоном заменила традиционные процессы, включая высококлассное функциональное прототипирование и мелкосерийное производство. Те же качества, которые делают нейлон таким широко используемым материалом, привели к его росту в качестве материала для 3D-печати. Однако не все технологии 3D-принтеров для нейлона созданы равными.

Три основные технологии, используемые для 3D-печати нейлоном, — это SLS, MJF и FDM. Хотя FDM-принтеры обычно имеют самую низкую стоимость входа, качество и стабильность деталей, напечатанных на FDM-машинах, не позволяют им быть серьезным вариантом для многих применений 3D-печати нейлоном.

С другой стороны, SLS- и MJF-принтеры могут генерировать высококачественные детали, но стоят намного beyond возможностей многих предприятий. В дополнение к высокой цене, MJF и некоторые SLS-принтеры требуют значительной площади, экспертов-техников и дорогостоящей постоянной поддержки и обслуживания, что делает их непрактичным выбором. Однако новый тип SLS-печати предлагает преимущества высококачественной 3D-печати нейлоном, одновременно улучшая простоту использования, требования к оборудованию и пространству и, что наиболее важно, стоимость: настольный SLS.

Настольный SLS сочетает в себе доступность и качество. Имея множество вариантов материалов, включая нейлон, армированный стекло- и углеродным волокном, такие варианты, как серия Formlabs Fuse, предоставляют пользователям высококачественные детали из нейлона, напечатанные внутри компании, за долю от цены.