Высокоэффективные полимеры или металл: что выбрать для 3D-печати
PEEK, PEKK и PEI по ряду свойств приближаются к металлам. Сравниваем свойства, технологии печати, постобработку и области применения.
Материал определяет в аддитивном производстве почти всё: конструкцию детали, необходимость поддержек, усадку и свойства готового изделия. Особый случай — когда одну и ту же деталь можно изготовить из двух совершенно разных материалов. Так происходит с высокоэффективными полимерами (HPP, High Performance Polymers) и металлами: некоторые полимеры настолько хороши, что становятся реальной альтернативой металлу.
Что относят к HPP
«Высокая эффективность» — не строгий технический термин. Так называют полимеры промышленного класса с повышенной прочностью, жёсткостью, износостойкостью и химической стойкостью: ULTEM (торговая марка PEI), PEEK и PEKK. Два последних входят в семейство полиэфиркетонов PAEK. TPE/TPU, поликарбонат и нейлон корректнее считать просто промышленными термопластами: до металлов и HPP они не дотягивают, зато стоят дешевле и для многих задач их достаточно.
Металлов для печати гораздо больше: алюминий и его сплавы, стали, включая нержавеющие и инструментальные, медные сплавы, титан, кобальт-хромовые и никелевые сплавы, а в последние годы и драгоценные металлы. Различаются и формы поставки. HPP — это в основном нить, реже порошок; металл бывает порошком, проволокой, нитью с полимерной матрицей и даже наночастицами.
Сравнение свойств
Материалы PAEK отличаются стойкостью к химикатам и жидкостям, износу, нагреву и огню, сохраняют ударопрочность при очень высоких и очень низких температурах. Главный козырь HPP — удельная прочность: они примерно на 60–70% легче алюминия и по этому показателю его превосходят. У всех полимеров есть и ещё одно преимущество перед металлами — коррозионная стойкость. Температура стеклования и относительное удлинение у PEI, PEKK и PEEK высокие, но различаются между собой.
У металлов свойства зависят от конкретного выбора. Алюминий менее прочен, но лёгок; медь ценят за электро- и теплопроводность и пластичность; титан — за биосовместимость; кобальт — за прочность и пластичность. Широкий ассортимент сам по себе плюс: проще подобрать нужное сочетание характеристик. К тому же металлы в зависимости от сплава выдерживают более широкий диапазон температур.
| Типичные материалы | PEEK, PEKK, PEI (ULTEM) | Алюминий, сталь, титан, медные, CoCr и никелевые сплавы |
| Форма материала | Нить, реже порошок или гранулы | Порошок, проволока, нить с полимерной матрицей |
| Основные технологии | Экструзия (FDM/FGF), реже SLS | DMLS, EBM, DED, струйная печать связующим, экструзия |
| Вес | На 60–70% легче алюминия | Выше плотность |
| Коррозия | Не подвержены | Зависит от сплава |
| Электро- и теплопроводность | Изоляторы | Проводники |
| Удаление поддержек | Возможны отделяемые поддержки при двух экструдерах | Механическая обработка, фрезерование |
| Условия печати | Закрытая нагреваемая камера, высокотемпературные сопло и стол | Камера без кислорода с инертным газом, меры защиты от порошка |
Технологии печати
С металлами совместимо намного больше процессов. Порошок сплавляют в слое методами DMLS или EBM, получая прочные точные детали минимальной массы. Процессы прямого подвода энергии и материала (DED), включая WAAM и EBAM, работают с проволокой или порошком и подходят для крупных деталей и для ремонта — другие аддитивные технологии этого не умеют. Без лазера обходятся только струйная печать связующим и экструзия металла с полимерной матрицей, но обе требуют удаления связующего и спекания.
Для HPP основной процесс — экструзия нити или гранул. SLS тоже возможна и удобна отсутствием поддержек, однако подходящих машин мало; в качестве примера называют EOS P810. Обычный FDM-принтер не годится: нужна закрытая камера с высокой температурой, а также стол и сопло, рассчитанные на сильный нагрев. Полукристаллические PEEK и PEKK нестабильны при плавлении и склонны к деформации, так что печать бывает сложной даже для опытных пользователей. Помогают наполнители — углеродное волокно, стекловолокно или кевлар: они повышают прочность и жёсткость и стабилизируют материал.
Постобработка
Здесь преимущество у полимеров. Металлическим деталям почти всегда нужна серьёзная доработка: очистка от порошка, удаление связующего и спекание, термообработка для снятия напряжений (отжиг, горячее изостатическое прессование), механическая обработка и полировка поверхности. Поддержки печатаются из того же металла, и удаляют их фрезерованием. При тепловых процессах детали дают усадку, что приходится учитывать ещё при проектировании.
Для HPP всё чаще доступны специальные материалы поддержек, которые отделяются гораздо легче, — правда, нужен принтер с двумя экструдерами. Отжиг применяют и к полимерам, особенно к PEKK, чтобы максимально раскрыть механическую, термическую и химическую стойкость.
Где применяются
Области во многом совпадают. В аэрокосмической отрасли важны прочность и стойкость при резких перепадах температур, и HPP выигрывают за счёт малого веса. В автомобилестроении и транспорте из обоих материалов делают, например, сепараторы подшипников и фитинги, и полимеры постепенно теснят алюминий по той же причине. В медицине используют только биосовместимые материалы: титан, устойчивый к физиологическим жидкостям и способный интегрироваться в кость, а из полимеров — PEEK и PEKK. PEEK к тому же близок по свойствам к человеческой кости, что делает его привлекательным для имплантатов. В целом полимеры лучше там, где нужны лёгкость, стойкость к коррозии и изоляция, а металлы — где масса не важна, а прочность критична, и в токопроводящих компонентах.
Производители и стоимость
Оба класса материалов значительно дороже обычных PLA, ABS и PETG. Стоимость металла зависит от сплава и формы: специализированные порошки, например кобальтовые, намного дороже стальных. Среди полимеров PEI обходится заметно дешевле PEEK, а цена последнего растёт с качеством и при добавлении углеродного волокна. При больших объёмах многие металлы оказываются выгоднее HPP.
Высокоэффективные полимеры выпускают главным образом химические компании — Arkema, Solvay, SABIC, BASF, Evonik, Lehmann&Voss, — а также производители высокотемпературных принтеров, например INTAMSYS. Материалы для печати металлом в основном предлагают поставщики оборудования: EOS, 3D Systems, Trumpf, Sciaky, Desktop Metal и HP.