Филамент

Филамент — это расходный материал для 3D-печати методом послойного наплавления (FDM/FFF), представляющий собой непрерывную нить из термопластичного полимера, намотанную на катушку. Филамент служит сырьём, которое подаётся в экструдер 3D-принтера, где расплавляется и наносится на платформу, формируя трёхмерный объект. Ключевыми характеристиками филамента являются диаметр нити (наиболее распространённые — 1,75 мм и 2,85 мм), материал, из которого он изготовлен, и допуски по толщине, влияющие на точность печати.

История

Развитие филамента неразрывно связано с историей технологии FDM (Fused Deposition Modeling). В 1988 году Скотт Крамп, сооснователь компании Stratasys, запатентовал метод послойного наплавления, в котором использовался пластиковый пруток (филамент). Первые коммерческие принтеры Stratasys работали с филаментом из ABS-пластика (акрилонитрилбутадиенстирол), который оставался доминирующим материалом до появления открытых проектов, таких как RepRap (около 2005 года).

С развитием сообщества RepRap и появлением недорогих настольных 3D-принтеров в конце 2000-х — начале 2010-х годов возникла потребность в более доступных и безопасных материалах. В 2009 году компания Plastic2Print (позже — ColorFabb) начала производство филамента из PLA (полилактида), который быстро завоевал популярность благодаря лёгкости печати, отсутствию резкого запаха и биоразлагаемости (в промышленных условиях). С тех пор ассортимент филаментов значительно расширился, включив в себя инженерные пластики, эластомеры, композитные материалы и специализированные составы.

Классификация и виды филаментов

Филаменты классифицируются по химическому составу полимера, физическим свойствам и области применения. Наиболее распространённые типы:

По типу полимера

• PLA (полилактид): Самый популярный материал для начинающих и любителей. Производится из возобновляемого сырья (кукурузный крахмал, сахарный тростник). Отличается низкой температурой печати (190–220 °C), минимальной усадкой, отсутствием резкого запаха. Изделия из PLA жёсткие, но хрупкие, не устойчивы к высоким температурам (деформируются выше 60 °C). Существуют модификации: PLA+ (улучшенная прочность), Silk PLA (шёлковый блеск), Matte PLA (матовый), Wood PLA (с древесными волокнами).
• ABS (акрилонитрилбутадиенстирол): Прочный, ударопрочный и термостойкий пластик (до 100 °C). Широко применяется в промышленности. Требует высокой температуры печати (220–250 °C) и наличия подогреваемого стола. Склонен к усадке и деформации (изгибу углов). При печати выделяет резкий запах стирола, поэтому необходима хорошая вентиляция.
• PETG (полиэтилентерефталатгликоль): Компромисс между PLA и ABS. Обладает высокой прочностью, термостойкостью (до 80 °C), химической стойкостью и низкой усадкой. Легче печатается, чем ABS, но более гигроскопичен (требует сушки). Широко используется для создания функциональных деталей, контейнеров для еды (при использовании сертифицированного сырья).
• TPU (термопластичный полиуретан): Эластичный филамент, позволяющий печатать гибкие и резиноподобные изделия (чехлы, уплотнители, амортизаторы). Характеризуется высокой твёрдостью по Шору (80A–95A). Требует медленной печати и специального экструдера (direct drive).
• PA (нейлон/полиамид): Очень прочный, износостойкий и гибкий инженерный пластик. Обладает высокой термостойкостью (до 150 °C) и низким коэффициентом трения. Чрезвычайно гигроскопичен — требует обязательной сушки перед печатью. Сложен в печати из-за высокой температуры (240–270 °C) и склонности к деформации.
• PC (поликарбонат): Один из самых прочных и термостойких пластиков (до 120 °C). Используется для изготовления конструкционных деталей, подверженных высоким нагрузкам. Требует высокой температуры печати (260–310 °C), подогреваемого стола и закрытой камеры.

Композитные и специализированные филаменты

• С древесным наполнителем (Wood PLA): Содержит частицы древесной муки, что придаёт изделиям текстуру и запах дерева. Требует специальных сопел (из закалённой стали) для предотвращения износа.
• С углеродным волокном (Carbon Fiber PLA/PA): Армированные углеродными нитями, что значительно повышает жёсткость и прочность изделия при снижении веса. Высокоабразивны.
• С металлическим наполнителем (Metal PLA): Содержит порошок металла (бронза, медь, нержавеющая сталь). После печати изделие можно отполировать и патинировать.
• Растворимые филаменты (PVA, BVOH, HIPS): Используются для создания поддерживающих структур. PVA и BVOH растворяются в воде, HIPS — в лимонене. Позволяют печатать сложные геометрии с нависающими элементами, которые затем удаляются без механической обработки.
• Фотополимерные филаменты (для 3D-печати с УФ-отверждением): Сравнительно новый тип, который отверждается под воздействием ультрафиолетового излучения непосредственно во время печати, что может повысить точность и прочность.

Характеристики и параметры

Качество печати напрямую зависит от характеристик филамента:

• Диаметр: Наиболее распространённые стандарты — 1,75 мм и 2,85 мм (также встречается 3,0 мм в старых промышленных принтерах). Допуск по толщине (tolerance) — критический параметр. Качественный филамент имеет допуск ±0,05 мм, что обеспечивает стабильную подачу. Низкокачественный филамент с большим допуском может вызывать засорение экструдера или неравномерную экструзию.
• Температура печати: Зависит от материала. Указывается производителем на катушке. Отклонение от рекомендуемого диапазона может привести к плохой адгезии слоёв, деформации или засорению.
• Температура стола: Необходима для улучшения адгезии первого слоя и предотвращения деформации (особенно для ABS, PC, PA). Для PLA часто не требуется, но рекомендуется 50–60 °C.
• Усадка: Склонность материала уменьшаться в объёме при охлаждении. Высокая усадка (у ABS, PA, PC) может приводить к отрыву детали от стола и деформации.
• Гигроскопичность: Способность впитывать влагу из воздуха. PLA умеренно гигроскопичен, PETG — сильнее, PA и PVA — чрезвычайно гигроскопичны. Влажный филамент при печати шипит, пузырится, ухудшается качество поверхности и прочность. Для сушки используются специальные сушилки или духовые шкафы.
• Абразивность: Композитные филаменты (с углеродным волокном, стекловолокном, металлом) быстро изнашивают стандартные латунные сопла. Для их печати требуются сопла из закалённой стали или рубиновые.

Применение

Филаменты используются в различных сферах:

• Прототипирование: Быстрое создание макетов, функциональных прототипов для проверки формы, сборки и эргономики. PLA и PETG — основные материалы для этой задачи.
• Функциональные детали: Изготовление шестерён, корпусов, креплений, инструментов. Используются ABS, PETG, PA, PC.
• Медицина: Создание анатомических моделей для планирования операций, хирургических шаблонов, ортезов, протезов. Используются PLA, PETG, а также биосовместимые филаменты (например, на основе поликапролактона).
• Образование: Демонстрация моделей, обучение 3D-моделированию и печати. PLA — стандартный материал для школ и университетов.
• Ювелирное дело и искусство: Создание восковок для литья по выплавляемым моделям (используется восковой филамент или PLA с последующим выжиганием), художественных объектов, скульптур.
• Домашнее хозяйство: Ремонт бытовых предметов, создание органайзеров, игрушек, декора.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, технология FDM-печати и используемые филаменты имеют ряд недостатков:

• Качество поверхности: Слоистая текстура (эффект «лесенки») требует последующей обработки (шлифовка, полировка, грунтовка, окраска) для получения гладкой поверхности.
• Прочность: Прочность деталей, напечатанных на FDM-принтере, часто ниже прочности деталей, изготовленных литьём под давлением, из-за анизотропии (слабая связь между слоями).
• Гигроскопичность: Многие популярные филаменты требуют тщательного хранения в сухих условиях, иначе качество печати резко падает.
• Экологичность: Хотя PLA считается биоразлагаемым, в обычных условиях он разлагается очень медленно. Большинство пластиков (ABS, PETG, PA) не разлагаются в природе и требуют переработки.
• Безопасность: При печати ABS и некоторыми другими пластиками выделяются летучие органические соединения (стирол) и ультрадисперсные частицы, потенциально вредные для здоровья. Рекомендуется использовать закрытые принтеры с фильтрацией воздуха.

Источники

• Gibson, I., Rosen, D., Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing.
• Redwood, B., Schöffer, F., Garret, B. (2017). The 3D Printing Handbook: Technologies, design and applications.
• Техническая документация производителей филаментов (Filamentarno, Bestfilament, REC, Esun).
• Обзорные статьи на ресурсах All3DP, 3D Today, 3D Print.