Рассматривая глобальную индустрию аддитивного производства, можно не заметить компании, работающие над технологиями, которые могут показаться незначительными, но обладают огромным потенциалом. Речь не только о хорошей идее, но и о поиске настоящих болевых точек производства. При этом важно иметь ноу-хау для решения проблемы.

Наглядным примером служит работа Chromatic 3D Materials с экструзией термореактивных материалов, в частности, полиуретанов. Возможность профессионально и с минимальными расходами напечатать на 3D-принтере один из наиболее часто используемых полимеров открывает огромные возможности, которые доступны каждому производителю экструзионных 3D-принтеров.

Истоки разработки печати полиуретаном

Чтобы запустить технологию в мире материалов, необходимо продемонстрировать невероятный потенциал нового продукта. Полиуретаны, напечатанные на 3D-принтере бренда Chromatic 3D Materials, представляют собой резиновые эластомеры, которые обеспечивают нужные характеристики и уникальную гибкость.

Разнообразие сырья, используемого ранее для 3D-печати, было ограничено. Самый большой сегмент, который отсутствовал, – это термореактивные пластмассы – категория, включающая полиуретаны, а также силиконы и эпоксидные смолы. Это связано с характеристиками, присущими термореактивным материалам, которые одновременно очень полезны и сложны при трехмерной печати. Но трудно – не значит невозможно. Как и в любом производственном сегменте, здесь потребовались исследования. Самая большая проблема для 3D-печати полиуретаном, заключается в том, что химия влияет на процесс печати, больше, чем механика обрабатывающей системы.

В принтере с термопластичным нитью накалафиламентом необходимо подбирать температуры печатающей головки и слоя. Для термореактивных пластиков нужно настраивать химический состав. В Chromatic 3D Materials для решения вопроса попробовали смешивание экструдированных составов.
Ассортимент полиуретановых каучуковых эластомеров FlexTune имеет твердость по Шору А от 40 до 90. Эти материалы десятилетиями использовались в сферах, не связанных с 3D-печатью. Их можно сгибать, растягивать, скручивать, сжимать.

Примеры использования:

•    каблуки и подошвы обуви;
•    роликовые колеса;
•    прокладки в гидравлических уплотнителях.

Команда Chromatic 3D Materials нашла способ осуществления 3D-печати с использованием этих высокоэффективных полиуретановых эластомеров без ущерба для прочности и долговечности.

Химия против механики

Процесс печати полиуретаном на 3D-принтере, реализованный Chromatic, можно описать как нечто среднее между струйной печатью и экструзией. При построении объекта в печатающей головке смешиваются два жидких компонента, что вызывает химическую реакцию. К тому времени, когда смесь выдавливается из печатающей головки, материал представляет собой частично полимеризованный гель. Он переходит в стабильное состояние за пару минут. Весь процесс происходит при комнатной температуре.

Другими словами, в то время как при экструзии термопластов сырье плавится и реформируется, термореактивный материал фактически «создается» в процессе экструзии. Это приводит к образованию прочным химическим связям по всей поверхности детали. Состав, выходящий из сопла, примерно в десять тысяч раз ниже по вязкости, чем нить. Значит, можно печатать с намного большей скоростью.

Это скорее химический вызов, чем механический, но это не значит, что он непреодолим. Преимущество в том, что можно использовать все инструменты, которые люди применяли для термореактивной химии более 50 лет, и задействовать их для печати полиуретаном на 3D оборудовании.
Хроматические эЭкструзионные системы Chromatic можно установить на любой экструзионный 3D-принтер, заменив термопечатающую головку на термореактивную.

Поиск проблемных точек

Chromatic фокусируется на выпуске уплотнений и прокладок для промышленного оборудования, которые являются деталями, имеющими чрезвычайно высокую стоимость цепочки поставок. Элемент, для которого требуются материалы всего на несколько центов, может в конечном итоге обойтись в десятки долларов из-за затрат, связанных с логистикой.
Когда компания изучила цепочку поставок, было обнаружено множество единиц специализированного оборудования, для которого может потребоваться менее пятисот запчастей в год. Для литья под давлением это очень незначительная экономия. То есть, затраты на логистику, связанные с запасными элементами, составляют до 90% стоимости детали и в основном связаны со складированием и распределением.

Логичный вывод, сделанный командой Chromatic, заключался в том, что данные детали станут идеальными для 3D-печати, если исходные ресурсы будут достаточно хорошими.
Поскольку материалы FlexTune затвердевают в процессе сборки и не требуют нагрева, можно получить детали высотой более 20 см. Основное ограничение заключается в том, что дефекты увеличиваются во время печати, поэтому Chromatic разработала технологию искусственного интеллекта для компенсации любых возникающих деформаций. На разработку этого программного обеспечения было потрачено около половины всего времени НИОКР. Из FlexTune получится печатать примерно в пять раз быстрее, чем при экструзии термопластов.

Технологию также можно применять для печати поверх других элементов.

Chromatic сегодня работает на рынке как поставщик консалтинговых услуг, поскольку некоторые клиенты компании не хотят налаживать процесс печати. Бизнес-модель бренда предполагает ориентацию на производителей, которые содержат очень большие склады запасных частей.
Компания создала портфель из 500 материалов, основанных на различных химических вариациях. Всего за четыре недели команда бренда может разработать новый печатный состав, который будет соответствовать критериям по термической, механической прочности или топливной стойкости.