Руководство по термостойким материалам для 3D-печати: Сравнение технологий, материалов и областей применения

Поскольку оборудование для 3D-печати стало более сложным и функциональным, свойства материалов — смол, порошков и филаментов — стали еще важнее для внедрения новых рабочих процессов и расширения возможностей применения. Термостойкие материалы для 3D-печати пользуются большим спросом, так как применение этой технологии в таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, энергетика и газовая промышленность, а также промышленное производство, становится все более распространенным.

Большинство материалов для 3D-печати представляют собой ту или иную форму пластика, хотя существуют 3D-принтеры, способные печатать металлические или керамические детали. Пластики обычно не известны своей термостойкостью, но новые разработки материалов для технологий моделирования методом послойного наплавления (FDM), стереолитографии (SLA) и селективного лазерного спекания (SLS) сделали доступными термостойкие смолы, филаменты и порошки.

В этой статье мы рассмотрим различные типы 3D-принтеров, термостойкие материалы для 3D-печати, включая термостойкие филаменты, смолы и порошки, а также преимущества и недостатки каждого из них.

---

Сравнение: Технологии термостойкой 3D-печати

ХАРАКТЕРИСТИКА	FDM (Послойное наплавление)	SLA (Стереолитография)	SLS (Селективное лазерное спекание)
Разрешение	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆
Точность	★★★★☆	★★★★★	★★★★★
Качество поверхности	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆
Производительность	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★
Сложные конструкции	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★
Простота использования	★★★★★	★★★★★	★★★★☆
Доступные материалы	PLA, ABS, Поликарбонат (PC), PEEK, ULTEM	Термостойкие смолы, Настоящий силикон, Техническая керамика	Nylon 12, Nylon 11, Наполненный углеродным/стекловолокном нейлон, TPU, Полипропилен
Макс. температура нагревостойкости @ 0.45 МПа	260 ºC (PEEK)	Пластики: 238 °C (High Temp Resin и Rigid 10K Resin) Керамика: до 1500 °C	188 °C (Nylon 11 CF Powder)
Стоимость	Бюджетные принтеры и наборы — от $200. Профессиональные настольные — $2,000–$8,000. Промышленные — от $15,000.	Профессиональные SLA-принтеры — $2,500–$10,000. Крупноформатные — $5,000–$25,000.	Настольные промышленные SLS-системы: принтер — от $30,000, полная экосистема — от $60,000. Традиционные промышленные — от $200,000.
Преимущества	Недорогие машины и материалы для потребителей	Высокая точность, Гладкая поверхность, Широкий ассортимент материалов, Биосовместимые материалы	Прочные функциональные детали, Свобода дизайна, Не требуются опорные структуры, Биосовместимые материалы
Недостатки	Низкое качество, Анизотропность деталей, Ограниченная свобода дизайна	Чувствительность к длительному УФ-излучению	Шероховатая поверхность, Ограниченный выбор материалов
Области применения	Базовое прототипирование	Функциональное прототипирование, Мелкосерийное, переходное или кастомное производство, Быстрая оснастка (формы, модели), Производственная оснастка (кондукторы, фиксаторы), Стоматология и медицина	Функциональное прототипирование, Мелкосерийное, переходное или кастомное производство, Производственная оснастка (кондукторы, фиксаторы)

---

Измерение термостойкости 3D-печатных деталей

Автомобильная деталь из углепластика и 3D-печатная форма из High Temp Resin для ее изготовления

Материалы, которые могут сохранять свою прочность даже при высоких температурах, идеально подходят для таких применений, как формование для изготовления готовых продуктов, например, этот компонент коллектора из углепластика (слева), изготовленный с использованием формы из High Temp Resin, напечатанной на принтере Form 3+ (справа).

Общий термин «термостойкость» может относиться к нескольким измеряемым свойствам материала, которые применимы в определенных ситуациях. Три основных механических свойства:

1. Температура теплостойкости (Heat Deflection Temperature, HDT): Измеряет, насколько хорошо материал сопротивляется деформации под нагрузкой при повышенной температуре. Проще говоря, насколько материал остается жестким при нагреве.

2. Температура размягчения по Вика (Vicat Softening Point): Измеряет температуру, при которой игла с плоским наконечником проникает в поверхность материала на глубину 1 мм. Проще говоря, точка, в которой стабильность твердой формы начинает нарушаться. Это измерение полезно для гибких материалов, где HDT не так актуален.

3. Температура стеклования (Glass Transition Temperature, Tg): Измеряет температуру, при которой твердый материал начинает размягчаться (переходит в стеклообразное состояние).

Эти свойства нельзя использовать взаимозаменяемо, так как их значения для одного и того же материала могут значительно различаться.

Наиболее часто используемым показателем для оценки термостойкости является HDT. Поскольку HDT измеряет производительность под нагрузкой, важно отметить, что используются два распространенных уровня нагрузки: HDT при 0.45 МПа (67 psi) и HDT при 1.8 МПа (264 psi).

---

Термостойкие филаменты для FDM 3D-печати

FDM (моделирование методом послойного наплавления) — наиболее широко используемая на потребительском уровне технология 3D-печати.

Плюсы и минусы термостойкой FDM-печати

FDM-принтеры плохо справляются со сложными дизайнами или деталями с мелкими элементами (слева) по сравнению с SLA-принтерами (справа).

• Плюсы: Хорошо подходит для базовых моделей для проверки концепции и быстрого недорогого прототипирования простых деталей. Может быть быстрым для простых designs. Простое внедрение.

• Минусы: Самое низкое разрешение и точность по сравнению с SLA и SLS. Не лучший вариант для сложных дизайнов. Профессиональные/промышленные принтеры дороги.

Принтеры для термостойкой FDM-печати

Основное требование — способность экструдера и стола достигать высоких температур, необходимых для печати термостойкими филаментами. Рекомендуется закрытая камера для поддержания постоянной температуры. Материалы с наивысшей термостойкостью (PEEK, ULTEM) совместимы только со специализированными промышленными FDM-принтерами.

Сравнение термостойких FDM-филаментов

Некоторые продвинутые FDM-филаменты, такие как ULTEM, обладают высокой термостойкостью и могут использоваться для прототипирования в условиях высоких температур, например, автомобильных компонентов.

Материал	Термостойкость (HDT @ 0.45 МПа)	Идеальное применение
PLA	50 °C	Жесткие и прочные прототипы, оснастка, калибры
ABS	90 °C	Ударопрочное прототипирование потребительской электроники
Поликарбонат (PC)	140 °C	Прочные, легкие и ударопрочные детали, корпуса
ULTEM (PEI)	150 ºC	Химически и термостойкая оснастка, корпуса, прототипы
PEEK	260 ºC	Прототипирование/функциональное тестирование электроразъемов, детали, требующие химической стойкости и эффективного уплотнения

---

Термостойкие смолы для SLA 3D-печати

SLA-принтеры используют лазер для послойного отверждения жидкой фотополимерной смолы.

Плюсы и минусы термостойкой SLA-печати

SLA-печать может использоваться для применений с высокими температурами и давлением. Формы из Rigid 10K Resin — экономичная альтернатива алюминиевым для малосерийного литья под давлением.

• Плюсы: Высокое качество деталей, гладкая поверхность, высокая точность, изотропность свойств (не анизотропны, как FDM). Широкий спектр специализированных материалов.

• Минусы: Детали чувствительны к длительному воздействию УФ-излучения.

Принтеры для термостойкой SLA-печати

Полные решения, такие как экосистемы Form 3+ и Form 3L, позволяют проектировать, печатать и обрабатывать термостойкие детали за несколько часов.

Доступность материалов сильно зависит от производителя принтера. Formlabs предлагает более 40 высокопроизводительных смол для своей линейки настольных и крупноформатных принтеров.

Сравнение термостойких SLA-смол

Материал	Термостойкость*	Идеальное применение
Clear Resin	73 °C (HDT)	Прозрачные прототипы, оптические модели, литье полиуретана (низкотемпературное)
Tough 2000 Resin	63 °C (HDT)	Прочная оснастка, корпуса, прототипы, имитирующие ABS
High Temp Resin	238 °C (HDT)	Прототипы для высокотемпературных потоков воздуха/газа/жидкости, термостойкие крепления, формы и вставки
Flame Retardant Resin	111 °C (HDT)	Не поддерживающие горение, термостойкие детали для авиации, автомобилей, электроники, промышленная оснастка
Rigid 10K Resin	238 °C (HDT)	Высоконагруженные детали, мастер-модели и вставки для литья под давлением, термостойкие компоненты
Silicone 40A Resin	125 °C (Термостабильность)	Уплотнения, прокладки, демпферы, мягкая оснастка для автомобилей, робототехники, потребительских товаров
Alumina 4N Resin	1500 °C (Макс. рабочая темп.)	Компоненты высокого напряжения, термозащита, литейная оснастка для металлов, работа в экстремальных средах

Примечание: Для Silicone 40A Resin указана термостабильность, для Alumina 4N Resin — максимальная рабочая температура, для остальных — HDT @ 0.45 МПа.

---

Термостойкие порошки для SLS 3D-печати

SLS-принтеры используют лазер для спекания порошковых материалов слой за слоем.

Плюсы и минусы термостойкой SLS-печати

• Плюсы: Прочные, функциональные детали качества серийного производства. Высокая свобода дизайна (не требуются поддержки). Высокая термостойкость материалов. Эффективное использование материала (переработка порошка).

• Минусы: Принтеры обычно дороже FDM/SLA. Шероховатая поверхность деталей.

Принтеры для термостойкой SLS-печати

Принтер Fuse Series SLS — это доступный метод производства термостойких SLS-деталей из стандартных материалов, таких как Nylon 12 и TPU.

Ключевой материал для SLS — нейлон. Formlabs Fuse Series предлагает доступное решение для производства термостойких деталей.

Сравнение термостойких SLS-порошков

С HDT 188 °C при 0.45 МПа детали из Nylon 11 CF Powder идеальны в качестве замены металлическим деталям, для оснастки и функциональных композитных прототипов.

Материал	Термостойкость*	Идеальное применение
Nylon 12 Powder	171 °C (HDT)	Высокопроизводительное прототипирование, малосерийное производство, постоянная оснастка
Nylon 12 GF Powder	170 °C (HDT)	Жесткая оснастка, корпуса, детали под постоянной нагрузкой, высокотемпературные применения
Nylon 11 Powder	182 °C (HDT)	Ударопрочные прототипы и оснастка, защелки, корпуса
Nylon 11 CF Powder	188 °C (HDT)	Замена металлических деталей, инструменты, функциональные композитные прототипы
Polypropylene Powder	113 °C (HDT)	Прототипы упаковки, корпуса, автомобильные компоненты, химически стойкая оснастка
TPU 90A Powder	94.3 °C (Vicat)	Эластичные изделия, ортезы, протезы, уплотнения, демпферы

Примечание: Для TPU 90A Powder указана температура размягчения по Вика, для остальных — HDT @ 0.45 МПа.

---

Металлическая 3D-печать

Металлическая 3D-печать набирает популярность, но остается недоступной для большинства компаний.

Плюсы и минусы термостойкой металлической 3D-печати

• Плюсы: Сочетание прочности, долговечности и термостойкости металла со свободой дизайна 3D-печати. Возможность облегчения деталей.

• Минусы: Очень высокая стоимость принтеров и инфраструктуры. Сложные процессы.

Принтеры для металлической 3D-печати

Основные технологии:

• Метод экструзии (Metal FDM): Печать с использованием филамента с металлическим наполнением с последующим спеканием.

• Селективное лазерное плавление (SLM) / Прямое лазерное спекание металлов (DMLS): Аналогично SLS, но для металлических порошков.

Популярные термостойкие металлы для 3D-печати

Материал	Термостойкость*	Идеальное применение
Титан	1,668 °C (Tпл)	Коррозионно-стойкая оснастка, корпуса
Нержавеющая сталь	1370–1530 °C (Tпл)	Производство деталей для аэрокосмоса, судостроения, промышленности по требованию
Алюминий	660 °C (Tпл)	Облегченные детали, лопатки турбин, компоненты дронов

Примечание: Указана температура плавления (Tпл).

---

Заключение

Термостойкие материалы для 3D-печати становятся все более востребованными. Каждая технология и материал имеют уникальные преимущества и лучше подходят для определенных применений.