Nylon, znany również jako poliamid (PA), to materiał z grupy termoplastycznych polimerów lub tworzyw sztucznych często stosowanych w druku 3D.
Nylon jest szczególnie ceniony za swoją wytrzymałość na duże obciążenia mechaniczne oraz odporność na ciepło, rozdarcie i ścieranie. Dlatego materiał ten jest często wykorzystywany do produkcji części o wymaganej dużej wytrzymałości, na przykład w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, a także w sektorze medycznym.
W druku 3D wykorzystuje się wiele rodzajów nylonu, których nazwy różnią się w zależności od liczby zawartych w nim atomów węgla. PA 6 najczęściej wykorzystuje się w druku 3D w technologii FDM, natomiast PA 11 i PA 12 są stosowane w procesach proszkowych. Chociaż obszary zastosowań PA 11 i PA 12 pokrywają się, istnieje wiele różnic między tymi dwoma tworzywami sztucznymi. Porównując oba materiały, zbadaliśmy ich właściwości, pochodzenie, wymagania dotyczące drukowania, a na koniec zastosowania.
Pochodzenie i właściwości mechaniczne
Poliamidy rozróżnia się na podstawie nomenklatury, a liczba występująca po wspólnym kodzie PA odnosi się do liczby atomów węgla. PA 11 i PA 12 wydają się być zatem dość podobne. Jednak te dwa rodzaje nylonu różnią się pod wieloma względami, począwszy od pochodzenia i produkcji.
PA12 jest tworzywem termoplastycznym, półkrystalicznym i liniowym, otrzymywanym z gazu ziemnego lub ropy naftowej. W procesach chemicznych otrzymuje się laktam laurynowy, będący cząsteczką wyjściową do produkcji PA 12. W 1963 roku Chemische Werke Hüls AG po raz pierwszy zaprezentowała PA12 we współpracy z Emser Werke w Domat. Od tego czasu homopolimer, który składa się z pojedynczego składnika monomerowego, znalazł wiele zastosowań. Mimo to PA 12 coraz częściej znajduje się w centrum debat na temat jego pochodzenia i wpływu na środowisko.
W poszukiwaniu większej trwałości i „bardziej ekologicznej” produkcji firmy zwracają się w stronę alternatywnych materiałów o podobnych właściwościach. Przyczyniło się to do wzrostu popularności PA 11, ponieważ pochodzenie tego poliamidu jest biologiczne. Wytwarza się go z surowca odnawialnego, otrzymywanego z roślin.
Najczęściej do produkcji biopoliamidów stosuje się olej rycynowy, który z kolei uzyskuje się poprzez tłoczenie nasion afrykańskiego drzewa cudów „Ricinus communis”. Olej rycynowy jest następnie przekształcany w aminokwas kwas 11-aminoundekanowy w drodze syntezy monomerów. Późniejsza polimeryzacja monomerów daje PA 11.
Pochodzenie PA 11 przypomina zatem bardziej PA 6, a od PA 12 jest dalekie. Chociaż PA 11 jest uważany za bardziej zrównoważoną alternatywę ze względu na biologiczne pochodzenie, nie ulega biodegradacji. Podobnie, jak inne poliamidy, przed poddaniem go recyklingowi należy sortować w specjalistycznym systemie zbiórki.
Chociaż pochodzenie PA 11 i PA 12 jest bardzo różne, ich właściwości mechaniczne są bardzo podobne, dlatego często wykorzystuje się je w przemyśle do podobnych celów. PA 11 i PA 12 są uważane za wyjątkowo wytrzymałe, mocne i odporne, o przekonującej odporności na tarcie, zużycie i chemikalia. PA 12 jest uważany za najlżejszy ze wszystkich tworzyw poliamidowych i wyróżnia się niskim stężeniem grup amidowych. Ponadto PA 12 przewyższa inne poliamidy pod względem niskiej absorpcji wody i gęstości.
Chociaż PA 11 absorbuje także stosunkowo mało wody, jak na poliamid, nie może pod tym względem konkurować z PA 12. Zalety PA 11 leżą we właściwościach mechanicznych, które są lepsze, niż PA 12.
PA 11 jest bardzo plastyczny i ma doskonałą odporność na uderzenia. Jest też wysoce odporny na ścieranie i zmęczenie, a części wytwarzane z tego materiału charakteryzują się wyższą izotropią. Wytrzymuje temperatury do 190°C, chociaż średnie temperatury mieszczą się w zakresie od -40°C do 125°C. Wykończone części PA 11 są mocne i elastyczne, trwałe i mają nieprzezroczystą matową powierzchnię. To samo dotyczy części powstałych z PA 12. W obu przypadkach części można pokolorować.
Pod względem temperatury roboczej PA 12 wypada gorzej niż PA 11, ponieważ co prawda wytrzymuje ekstremalne temperatury od -50°C do 150°C, ale jego średni przedział wynosi tylko 50-80°C. Podobnie, jak PA 11, jest również bardzo odporny na ścieranie i zmęczenie oraz chemikalia – tłuszcze, oleje, rozpuszczalniki, zasady i roztwory soli, dzięki czemu części wykonane z PA 12 są bardzo odporne na zużycie oraz łatwe do spawania i klejenia. Co więcej, PA 12 jest nie tylko najlżejszym poliamidem, ale także najbardziej odpornym na pękanie naprężeniowe.
Chociaż odporność na uderzenia PA 12 jest bardzo dobra, nie może dorównać PA 11. W bezpośrednim porównaniu z PA 11, PA 12 również nie do końca jest zbieżne z parametrami wytrzymałości i twardości we wszystkich orientacjach, a szczególnie w Z. Z tego powodu PA 12 jest często wzmacniany np. włóknem szklanym lub węglowym, aby zrekompensować tę wadę.
Obydwa materiały są generalnie kompatybilne z tkaninami, a części z nich wykonane, nadają się do kontaktu z ludzką skórą (np. w technologii HP Multi Jet Fusion 3D). Warto jednak wspomnieć, że PA 12 niektórych producentów można stosować na części mające kontakt z żywnością, co nie zawsze ma miejsce w przypadku PA 11. Istnieją jednak proszki PA 11, takie jak PA 11 Blue firmy APC-Tec, które mają dopuszczenie FDA do kontaktu z żywnością.
Druk 3D przy użyciu PA 11 i PA 12
W druku 3D nylony stosuje się głównie w postaci włókien i proszku. Można znaleźć także żywicę PA do druku 3D w technologii SLA, która naśladuje właściwości termoplastyczne poliamidów. Najczęściej używanym włóknem nylonowym jest PA 6. Dostępny jest także w ograniczonym zakresie w postaci proszku.
Z drugiej strony, w technologiach proszkowych wykorzystuje się głównie PA 11 i PA 12. Wynika to z termoplastycznych właściwości materiału, ponieważ nylon można szczególnie dobrze kształtować i łączyć za pomocą ciepła. Procesy te obejmują selektywne spiekanie laserowe (SLS), Multi Jet Fusion (MJF), SAF i HSS. Wytwarzanie w tych procesach charakteryzuje się dużą wydajnością, a niewykorzystany proszek można w pewnym stopniu poddać recyklingowi.
PA 12 jest zwykle częściej stosowany w produkcji przyrostowej niż PA 11, zarówno ze względu na wcześniejszą dostępność, jak i niższą temperaturę topnienia. PA 12 topi się w temperaturze 175-180° (w zależności od producenta), podczas gdy PA 11 w temperaturze około 200°. Te różnice w temperaturze topnienia wyjaśniają również, dlaczego proszków nie można mieszać ze sobą w celu uzyskania jednego wydruku 3D. Przetwarzanie różnych proszków w jednym urządzeniu stanowi wyzwanie dla procesów druku 3D w technologiach proszkowych SLS, MJF, HSS czy SAF , chociaż większość producentów oferuje odrębne stacje do drukowania z poszczególnych materiałów.
Postprocessing
Niezależnie od tego, jaki proces druku 3D z materiałów PA 11 i PA 12 wybierzesz, postprodukcja, czyli wykończenie zewnętrznych powierzchni surowych wydruków, barwienie itd. jest niezbędnym krokiem i dotyczy zarówno części powstałych z PA 11, jak i PA 12.
Pierwszym krokiem jest odpylanie, podczas którego części są usuwane z „placka proszkowego”, a pozostałe resztki pyłu zalegające wewnątrz wydruków również odsysane. Niespieczony proszek można ponownie wykorzystać w kolejnym procesie drukowania. Po odpylaniu wydrukowane komponenty nadal wymagają czyszczenia z resztek proszku, które przylegają do części.
Przykładowe metody postprocessingu obejmują czyszczenie strumieniem wody lub powietrza, śrutowanie, a także wygładzanie chemiczne i polerowanie bębnowe. W dalszym etapie możliwe jest również pomalowanie lub zabarwienie części uzyskanych z PA 11 czy PA 12.
Zastosowania PA 11 i PA 12
Obydwa materiały należą do tej samej grupy tworzyw sztucznych i znajdują szerokie zastosowanie w produkcji addytywnej (druku 3D).
W medycynie stosuje się proszki PA 11 i PA 12, o ile producent określił je jako biokompatybilne. Wykorzystuje się je do wytwarzania protez, ortez, wyrobów i sprzętu medycznego. Jednakże w medycynie PA 11 jest bardziej ceniony ze względu na swoją biokompatybilność i elastyczność niż PA 12, ponadto PA 12 jest ogólnie sztywniejszy, co się mniej sprawdza w wytwarzaniu zaopatrzenia ortopedycznego, gdzie wymagana jest elastyczność materiału.
Zobacz wytrzymałość części drukowanych w 3D przy użyciu technologii HP Multi Jet Fusion z PA 11
Obydwa materiały wykorzystywane są także w przemyśle motoryzacyjnym. PA 11 jest popularny w prototypowaniu części pojazdów, ale wykorzystuje się go również w produkcji seryjnej. Ze względu na swoją odporność na uderzenia i środki chemiczne wykorzystywany jest także do produkcji części pojazdów narażonych na kolizje (PA 11 nie pęka), zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych, np. uszczelek, elementów silnika i powłok.
PA 12 stosuje się w produkcji precyzyjnych węży i rurek, w tym odpornych na ciśnienie i uderzenia przewodów paliwowych.
W aeronautyce PA 11 jest stosowany ze względu na odporność na uderzenia. Drukuje się z niego np. owiewki i wewnętrzne części konstrukcyjne samolotów. PA 12 z kolei idealnie nadaje się do produkcji komponentów, które powinny być odporne na chemikalia, wysokie ciśnienie oraz uderzenia. Co więcej, zarówno w sektorze motoryzacyjnym, jak i lotniczym oba materiały są doceniane ze względu na produkowanie lżejszych części, pozwalających na większą efektywność energetyczną (obniżenie wagi samolotu, to zmniejszenie śladu węglowego i emisji CO2)
Przemysł sportowy również wykorzystuje oba materiały – PA 11 ze względu na jego odporność na ścieranie, np. do wyściółek narciarskich i podeszew korków oraz ze względu na jego wyjątkową elastyczność. PA 12 jest stosowany w sprzęcie do sportów zimowych – butach do narciarstwa alpejskiego i biegowego oraz wiązań narciarskich, dzięki swojej szczególnej odporności mechanicznej w niskich temperaturach.
Obydwa materiały znajdują zastosowanie w budowie maszyn, elektrotechnice i elektronice, a także w przemyśle opakowaniowym. W tym przypadku PA 11 jest szczególnie ceniony za swoją trwałość, a PA 12 za wysoką wytrzymałość.
PA 12 stosuje się podobnie, jak w przypadku motoryzacji i lotnictwa, do produkcji precyzyjnych węży i rurek, szczególnie do odpornych na ciśnienie i uderzenia przewodów paliwowych, a także do elementów napędowych pracujących w wilgotnym środowisku lub do podwodnych części przekładni – gdzie wymagana jest duża dokładność wymiarowa – oraz do elementów mechanicznych, takich, jak zawiasy i koła zębate, a także izolacje.
PA 11 w elektrotechnice i elektronice również stosowany jest jako materiał izolacyjny i ochronny kabli, złącz, wykorzystuje się go do produkcji różnego rodzaju obudów urządzeń elektronicznych. Generalnie, ze względu na szczególnie długą żywotność, dobrze nadaje się do zastosowań inżynieryjnych.
Dzięki postępowi technologicznemu produkcja przyrostowa przekroczyła niszową przestrzeń zastosowań, jaką jest prototypowanie, i jest coraz częściej wykorzystywana do wytwarzania gotowych części i PA 11 jest polimerem wybieranym właśnie w tym celu, ponieważ oczekuje się, że pozostanie wytrzymały i będzie miał dłuższą żywotność w porównaniu z PA 12. Oprócz kwestii, związanych z właściwościami mechanicznymi, niski ślad węglowy wytwarzania z PA 11, pochodzenia biologicznego w porównaniu z PA 12 otrzymywanym z ropy naftowej sprawia, że jest to oczywisty wybór materiału również z punktu widzenia zrównoważonego rozwoju.
