W sprzedaży dostępne są liczne filamenty do druku 3D metodą FDM (Fused Deposition Modelling) będące kompozytami. Oznacza to, iż stanowią one połączenie co najmniej dwóch różnych substancji będących składnikami dominująmi receptur takich tworzyw. Jednym z nich jest zawsze termoplastyczny materiał, który drukarka 3D przetwarza w trójwymiarowy wydruk. Drugi składnik filamentów kompozytowych stanowi najczęściej włókno węglowe. Bywa ono mieszane z szeroką gamą termoplastów, wśród których wyróżnia się poliamidy (PA12 lub PA6) oraz poli(tereftalan etylenu) dopełniony glikolem (PET-G). Włókno węglowe dodaje się czasem także do polilaktydu, czyli PLA! Zdarza się, iż termoplastyczne materiały miesza się z politetrafluoroetylenem. Przykład takiego połączenia stanowi poliwęglanowy filament PC+PTFE, który produkuje ROSA 3D Filaments. Kompozytami są także termoplasty zmieszane z drobinkami drewna. Rezultat takiego mieszania składników stanowią filamenty WOOD. Dopełnieniem recepturowym tworzywa do druku 3D mogą być więc materiały bardzo różnorodne. Czasem jest to włókno węglowe, a czasem - drewniane drobiny. Na nich (oraz wspomnianym także wcześniej teflonie) lista surowców będących jednymi z głównych składników filamentowych kompozytów się nie kończy. Skład termoplastycznego tworzywa dopełniony zostać może bowiem... Szkłem! Ów materiał stanowić będzie składnik filamentu, występując pod jedną z dwóch możliwych form. Pierwszą z nich jest włókno szklane, drugą zaś - mikrosfery, które ze szkła zostały uworzone.

Formy szkła w filamentach do druku 3D

Rozważając temat wytworu, jaki stanowi szkło, pierwsza myśli, jaka często przychodzi do głowy snującej takie rozważania, jest okno. Konkretniej rzecz ujmując, mowa tu o jednym z jego elementów, czyli okiennej szybie. Istotnie - komponent ów produkuje się ze szkła. Jest to materiał, który uzyskuje się z trzech składników, będących tlenkami. Są nimi: tlenek krzemu(IV) - SiO₂, tlenek wapnia (CaO) oraz tlenek sodu, czyli Na₂O. Rezultatem ich odpowiedniego przetworzenia jest tzw. szkło sodowe. Materiały szklane uzyskuje się jednak nie tylko z wspomnianego nieco wcześniej tercetu związków chemicznych. Istnieje wiele rodzajów szkła, zaś ich wspólny, recepturowy mianownik stanowi tlenek krzemu(IV), zwany też krzemionką. Szklane tworzywa mają również pewną interesującą własność. Szkło stanowi przykład substancji amorficznej. Jego struktura wewnętrzna charakteryzuje się wysokim poziomem nieuporządkowania. Szkło posiada cechy ciała stałego. Zachowuje ono swą formę. Jest także materiałem nieściśliwym, co oznacza, iż jego objętość nie ulega zmianie pomimo naprężeń nań oddziałujących. Ciało stałe powinno wykazywać się jednak wysokim stopniem wewnętrznego uporządkowania. Struktura szkła w ujęciu mikroskopowym jest chaotyczna. Stoi to w sprzeczności z jednym z założeń opisujących własności ciał stałych. Między innymi z tego właśnie powodu przyjmuje się, iż szkło jest materiałem amorficznym. W filamentach surowiec tu omawiany występować może pod dwoma postaciami: włókna szklanego lub szklanych mikrosfer.

Włókno szklane

Włókno szklane jest szkłem, które spreparowano tak, iż stanowi ono cienką nić. Do uzyskania szkła, z którego powstaje włókno szklane, niezbędne są dwa składniki - tlenek krzemu(IV), czyli SiO₂, oraz tlenku boru (B₂O₃). Produkt powstały z połączenia tych dwóch substancji zawiera od 8% do 12% B₂O₃. Tak przygotowane szkło topi się i przeciska przez tzw. filier. Jest to dysza, która wykonana została z platyny i która posiada wiele niewielkich otworów. Przeciśnięte przez nią szkło ma postać nici, które są następnie schładzane. Gdy włókna zostaną już ochłodzone, pokrywa się je cienką warstwą odpowiedniego surowca. Może być nim polimer. Pokrywa się nim włókno szklane, chcąc polepszyć mechaniczne własności nici. Czasem materiałem, jaki nanosi się na przędzę, jest tzw. apertura. Umieszcza się ją w przestrzeni pomiędzy powierzchnią włókna i warstwą polimeru. Dzięki aperturze szklana nić lepiej przylega do polimerowej otoczki. Włókno szklane cechuje się dużą odpornością mechaniczną. Jedną z jej składowych stanowi niemała wytrzymałość na rozciąganie. Włókno szklane to także materiał o dużej odporności chemicznej. Charakteryzuje je również wysoki poziom niepodatności na wpływ temperatur z dość obszernego zakresu ich wartości. Temperatura jego użytkowania reprezentowana jest bowiem przez zakres rozpoczynający się od -100 stopni Celsjusza do 250C. Włókno szklane cechuje się również dużą elastycznością. Ma ono zatem wiele własności, dzięki którym sprawdza się świetnie jako jeden z istotnych składników różnorodnych filamentów technicznych.

Obiekt, któy wydrukowano z filamentu PA12+GF15 - tutaj w naturalnym, niewybarwionym dodatkowymi pigmentami wariancie kolorystycznym.

(©Fiberlogy)

Szklane mikrosfery

Szklane mikrosfery są utworzonymi - rzecz jasna - ze szkła kulkami mającymi niewielkie rozmiary. Stanowią one materiał, który cechuje się dużą odpornością na jego mechaniczne odkształcanie. Szklane mikrosfery mają również znakomite własności ścierne. Co ciekawe - filament, który zawiera mikrokulki wykonane ze szkła, charakteryzuje się dużą odpornością na ścieranie.

Filamenty z włóknem szklanym - przykłady tworzyw

Filamentami, które wzbogaca się dodatkiem włókien szklanych, są zazwyczaj tworzywa oparte na poliamidach - PA6 lub PA12. W ich nazwach umieszcza się zwykle człon GF, co stanowi skrót angielskiego wyrażenia, jakim jest glass fiber, czyli włókno szklane. Wzbogacane tym materiałem filamenty produkuje m.in. Fiberlogy. Produkowanym przez nią tworzywem z dodatkiem włókien szklanych jest PA12+GF15. Jego recepturową bazę stanowi nylon PA12. Poliamid ów dopełniono włóknami szklanymi. Stanowią one aż 15% masy filamentu PA12+GF15. Materiał ten cechuje się bardzo dużą wytrzymałością mechaniczną, w tym także niemałą udarnością. Filament PA12+GF15 to tworzywo trwałe oraz odporne termicznie i chemicznie. Jest też on materiałem o elastyczności większej niż wariant PA12, który wzbogacono włóknem węglowym. Cechuje go także niski skurcz liniowy. Filament PA12+GF15 występuje w dwóch wariantach kolorystycznych - czarnym i naturalnym.

Wydruk z powyższej ilustracji wykonany został z czarnego wariantu filamentu PA12+GF15 - nylonowego tworzywa z dodatkiem włókien szklanych.

(©Fiberlogy)

Filamenty z mikrosferami szklanymi - przykłady tworzyw

Mikrosferami szklanymi wzbogaca się zwykle tworzywa poliamidowe, czyli te, których recepturową bazę stanowi nylon (PA12 lub PA6). Materiały takie produkowane są m.in. przez Spectrum Filaments oraz F3D Filament. O jakich tworzywach tu mowa? Oto one:

1. PA6 GK10

   Filament PA6 GK10 produkowany jest przez firmę Spectrum Filaments. Jego bazowy składnik stanowi poliamid (nylon) PA6. Recepturę tworzywa wzbogacono szklanymi mikrosferami.  Filament PA6 GK10 wchodzi w skład linii Spectrum Industrial. Jest on tworzywem, które sprawdza się świetnie w zastosowaniach technicznych i przemysłowych. Cechuje się on dużą wytrzymałością termiczną, lekkością oraz elastycznością. Filament PA6 GK10 to także tworzywo, które doskonale sprawdza się w roli izolatora elektrycznego. Materiał ten charakteryzuje się dużą odpornością na ścieranie. Sam w sobie ma jednak bardzo dobre własności ścierne. Do wykonywania z niego wydruków stosować należy więc dysze wykonane z bardziej wytrzymałych materiałów niż mosiądz.

   

   Szpula filamentu PA6 GK10 firmy Spectrum Filaments. (©Spectrum Filaments)

2. BubbleGlass

   Za produkcję filamentu BubbleGlass odpowiada F3D Filament. Jest to nylonowe tworzywo wzbogacone dodatkiem szklanych mikrosfer. Materiał ten cechuje się dobrymi własnościami ściernymi (zasługa mikrokulek wykonanych ze szkła). Filament BubbleGlass to również tworzywo o dużej wytrzymałości termicznej. Jest ono również bardzo odporne na zgniatanie. Filament BubbleGlass pełnić może rolę izolatora elektrycznego. Jest dodatkowo lekki i bardzo trwały.