Экструзия материалов — один из семи всемирно признанных процессов аддитивного производства. Она помогла в трансформации прототипов и производстве сложных деталей. Она уникальна, поскольку проста, экономична и легкодоступна. Она играет важную роль в приложениях, где настройка, использование различных материалов и скорость обработки имеют решающее значение.
Экструзия материалов выделяется в настольных и промышленных 3D-принтерах, где она обеспечивает послойное изготовление объектов. По сравнению с традиционной экструзией, которая создает непрерывные формы с помощью матрицы, экструзия материалов расплавляет и наносит материал в определенных шаблонах для формирования 3D-объектов.
Содержание:
Что такое экструзия материалов?
Экструзия материалов — это метод AM, используемый для создания 3D-деталей слой за слоем посредством непрерывного осаждения нити термопластичных или композитных материалов. Нить осаждается в 2D-слоях с использованием нагретого сопла.
Первой запатентованной и коммерциализированной системой экструзии материалов было моделирование методом послойного наплавления (FDM), изобретенное SS Crump и коммерциализированное Stratasys в 1989 году. Однако более широкая аудитория производителей также называет его методом послойного наплавления нитей (FFF).
В отчетах по исследованию рынка экструзии материалов прогнозируется, что совокупный годовой темп роста (CAGR) составит 13.5%. Ожидается, что рынок, объем которого в 10.5 году составил 2024 млрд долларов США, к 25.7 году достигнет 2033 млрд долларов США благодаря растущему потребительскому спросу и внедрению в промышленность.
Процесс экструзии материала
Процесс экструзии материала обычно следует систематической последовательности:
Загрузка материала
Процесс начинается с подачи термопластичной нити, гранул, пасты или другого подходящего материала в принтер.
Нагревание/Расплавление
Материал проходит через нагретую зону, где достигает точки плавления, становясь достаточно мягким и вязким, чтобы течь, но не настолько жидким, чтобы стекать с места нанесения.
Выдавливание через сопло
Расплавленный или вязкий материал проталкивается через небольшое сопло, обычно с помощью приводного механизма или плунжерной системы.
Послойное нанесение
Печатная головка или платформа построения перемещается по заранее запрограммированным траекториям (на основе модели САПР), нанося материал по одному слою за раз в 2D-срезах. Каждый слой охлаждается и затвердевает перед нанесением следующего слоя, и они объединяются, образуя полный 3D-объект.
Материалы, используемые при экструзии материалов
Экструзия материалов позволяет использовать широкий спектр материалов, каждый из которых обладает уникальными свойствами для различных сфер применения:
Термопласты и полимеры
Обычно используемые полимеры и термопластики включают PLA (полимолочная кислота), ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) и PETG (полиэтилентерефталатгликоль). Они широко используются, поскольку пригодны для печати, прочны и легкодоступны.
Композитные и армированные волокном материалы
Композиты, такие как термопластики, армированные углеродными волокнами, стекловолокном или металлическими частицами, также являются материалами, используемыми для экструзии. Они обеспечивают улучшенные механические характеристики.
Гибкие и специальные нити
ТПУ (термопластичный полиуретан), проводящие нити и термостойкие пластики расширяют спектр возможных вариантов использования.
Гранулы и пасты
Для экструзии также используются такие материалы, как сырые пластиковые гранулы или керамическая глина (паста). Они жизненно важны в различных отраслях промышленности, например, в секторе здравоохранения, посредством производства биоматериалов для медицинских целей.
Типы методов экструзии материалов
Экструзия материалов осуществляется несколькими методами, которые зависят от функции и формы используемого материала, вот некоторые из них:
Изготовление плавленых нитей (FFF)
Также известно как моделирование методом наплавления и является наиболее распространенной техникой экструзии материалов. Она использует намотанную нить, которая была расплавлена и выдавлена через нагретое сопло, которое наносится на предварительно нагретую сборку.
Экструзия гранул
Техника, которая немного похожа как на FDM, так и на литье под давлением. Она подает гранулы в сопло через систему шнека и цилиндра, как при литье под давлением, и выдавливает их для создания деталей слой за слоем, как в FDM. Экструзия гранул в AM также известна как изготовление сплавленных гранул, FGF.
Экструзия пасты или глины
Экструзия пасты или глины осуществляется либо через механизм экструдера плунжера, либо через механизм экструзии шнекового клапана, либо через механизм экструзии игольчатого клапана. Эти три механизма состоят из системы шприца и плунжера, но их процессы экструзии различаются.
Экструзия биоматериалов
Также известная как экструзионная биопечать, это технология, которая включает в себя выдавливание биочернил через сопло для создания структур, которые могут имитировать функции тканей или органов.
Преимущества и недостатки экструзии материалов
Преимущества
низкая стоимость
Оборудование и материалы, используемые для этого, стоят относительно недорого, что делает его идеальным для новичков и образовательных учреждений.
Универсальный доступ
Настольные 3D-принтеры, использующие экструзию материалов, широко доступны, просты в освоении и удобны в использовании.
Разнообразие материалов
Экструзия материалов позволяет использовать различные термопласты, композиты и специальные материалы.
Индивидуальная конфигурация
Это позволяет быстро создавать прототипы и изготавливать индивидуальные детали по запросу.
Недостатки
Чистота поверхности
Экструдированные детали часто требуют последующей обработки из-за видимых линий слоев и шероховатостей поверхностей.
анизотропность
Прочность варьируется в зависимости от ориентации печати; например, детали могут быть слабее вдоль оси Z.
Ограниченная прочность материала
По сравнению с другими процессами AM, такими как плавление порошкового слоя, экструзия материала может обеспечить более низкие механические свойства.
Применение экструзии материалов
Экструзия материалов используется в различных отраслях промышленности для различных целей, в том числе:
Быстрое прототипирование:
Инженеры и дизайнеры используют его для быстрого и экономически эффективного создания функциональных прототипов.
Части конечного использования
В таких отраслях, как автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность, экструзия материалов используется для изготовления приспособлений, крепежных деталей и деталей мелкосерийного производства.
Биомедицинские
Его используют для изготовления каркасов, протезов, а также биопечатных тканей медицинского назначения.
Архитектура и Строительство
Крупномасштабная экструзия пасты применяется для печати бетонных конструкций и архитектурных элементов.
Упаковка для еды
Его также используют для производства съедобных продуктов, таких как шоколад и другие закуски, хлопья, макаронные изделия и т. д.
Экструзия материалов в аддитивном производстве
Экструзия материалов — один из семи стандартных процессов аддитивного производства, определенных ASTM. Обычно это первый метод, с которым сталкиваются новые пользователи, поскольку он доступен и прост. В отличие от методов на основе порошков, он не требует контролируемой атмосферы или последующего спекания. Это делает его более доступным для малого бизнеса и частных лиц.
По мере развития отрасли экструзия материалов продолжает распространяться на промышленные сферы, где требуются индивидуальные инструменты, мелкосерийное производство и сложная геометрия.
В чем разница между струйной обработкой материала и экструзией материала?
В следующей таблице объясняются различия между струйная обработка материала и экструзия материалов.
| Критерии | Экструзия материалов | Струйная обработка материалов |
|---|---|---|
| Разработка | Наносит частично расплавленный материал линиями и точками. Разрешение: ~0.5–1 мм. | Наносит жидкие смолы каплями. Разрешение: часто меньше 0.05 мм. |
| Строительство слоев | Использует одну насадку-аппликатор. Скорость нанесения ограничена ходом насадки. | Использует широкие струйные головки (до 100 мм) для прорисовки полных полос за один проход — быстрее. |
| Сборки Z-слоя | Создает более толстые слои (от 0.1 мм до 0.5 мм), что позволяет наносить меньше слоев быстрее. | Создает сверхтонкие слои (16–50 мкм), требующие большего количества слоев и времени. |
| Стоимость оборудования | Оборудование относительно простое и недорогое (FDM/FFF). | Оборудование сложное и дорогое (на 1–2 порядка дороже, чем FDM). |
FAQ
В чем разница между экструзией материалов и традиционной экструзией?
Экструзия материалов (3D-печать) создает детали слой за слоем из цифровых файлов, отлично подходит для прототипов и сложных форм. Это точно, гибко и имеет низкие затраты на настройку.
Традиционная экструзия проталкивает материал через матрицу для получения непрерывных форм, таких как трубы или листы. Она менее точна, но эффективна для массового производства, хотя затраты на настройку выше.
Короче говоря, 3D-экструзия подходит для изготовления деталей по индивидуальному заказу небольшими партиями, тогда как традиционная экструзия лучше всего подходит для крупносерийной, однородных изделий.