Polykarbonát (PC) patří mezi nejodolnější termoplasty používané v oblasti 3D tisku. Vyniká především svou vynikající mechanickou pevností, tepelnou odolností a transparentností. Přestože je náročnější na zpracování než běžné materiály jako PLA nebo PETG, nabízí výjimečné vlastnosti, které z něj činí ideální volbu pro technicky náročné aplikace a funkční díly vystavené extrémním podmínkám. Polykarbonát je průmyslově používaný materiál, který kombinuje houževnatost, tepelnou stabilitu a optickou čirost, což jej předurčuje pro profesionální použití v inženýrských aplikacích, automobilovém průmyslu a dalších odvětvích vyžadujících špičkové mechanické vlastnosti.
Polykarbonát je termoplastický polymer obsahující karbonátové skupiny (-O-(C=O)-O-) v hlavním řetězci. Nejběžnější typ polykarbonátu se vyrábí z bisfenolu A (BPA) a fosgenů. Výrobní proces obvykle zahrnuje polykondenzaci, kdy spolu reagují bisfenol A a fosgeny za vzniku dlouhých polymerních řetězců. Alternativně může být vyroben transesterifikací bisfenolu A s difenylkarbonátem.
Polykarbonát je známý svou všestranností a byl vyvinut v 50. letech 20. století jako alternativa ke sklu a kovům. Na rozdíl od PLA, který je vyráběn z obnovitelných zdrojů, je polykarbonát založen na petrochemických surovinách. Přestože není biologicky rozložitelný jako PLA, nabízí mnohem delší životnost a vyšší výkon v náročných podmínkách.
V 3D tisku je polykarbonát dostupný v podobě filamentů různých průměrů (nejčastěji 1,75 mm a 2,85 mm). Standardní PC filamenty jsou průhledné nebo mléčně zakalené, ale díky možnosti přidání aditiv a barviv jsou k dispozici v různých barevných variantách. Existují také speciální varianty jako PC-ABS (směs polykarbonátu a ABS) nebo PC-PBT, které kombinují přednosti obou materiálů.
Z chemického hlediska je polykarbonát amorfní termoplast charakteristický přítomností aromatických skupin a karbonátových vazeb. Tyto strukturní prvky jsou zodpovědné za jeho vysokou tuhost, tepelnou odolnost a optickou čirost.
Fyzikální vlastnosti polykarbonátu zahrnují:
Hustota: přibližně 1,20-1,22 g/cm³
Teplota skelného přechodu (Tg): 145-150°C
Teplota tání (Tm): přibližně 260-270°C
Jednou z nejvýznamnějších vlastností polykarbonátu je jeho vynikající tepelná odolnost. Na rozdíl od PLA, který začíná měknout již při 55-60°C, nebo PETG s tepelnou odolností kolem 70-80°C, polykarbonát si zachovává svou tuhost a strukturální integritu až do teplot kolem 130-140°C. Tato vlastnost jej činí ideálním pro aplikace vystavené vysokým teplotám.
Polykarbonát také vykazuje vysokou pevnost v tahu (55-75 MPa) a mimořádnou rázovou houževnatost, která překonává většinu běžných 3D tiskových materiálů včetně ABS a ASA. Youngův modul pružnosti polykarbonátu se pohybuje kolem 2,0-2,4 GPa, což indikuje dobrou tuhost při zachování určité flexibility, která přispívá k jeho schopnosti absorbovat nárazy bez prasknutí.
Polykarbonát patří mezi náročnější materiály pro 3D tisk, vyžadující specifické podmínky a zkušenosti. Oproti PLA či PETG vyžaduje výrazně vyšší teploty a pečlivé řízení procesu tisku.
Tiskové parametry pro polykarbonát:
Teplota trysky: 260-310°C (optimálně kolem 280-290°C)
Teplota podložky: 100-130°C (doporučeno 120-130°C pro první vrstvu)
Chlazení: minimální nebo žádné (max. 10-20% výkonu ventilátoru)
Rychlost tisku: nižší než u běžných materiálů, obvykle 20-40 mm/s
Pro polykarbonát je vyhřívaná podložka absolutní nezbytností. Pro dobrou přilnavost první vrstvy se doporučuje použít speciální adhezní prostředky jako je polyimidová (Kapton) páska, BuildTak nebo PEI tiskový plát. Některé tiskárny vyžadují použití speciálních lepidel nebo roztoku ABS v acetonu („ABS juice“) pro zajištění dostatečné adheze.
Polykarbonát je silně hygroskopický materiál, což znamená, že rychle absorbuje vlhkost ze vzduchu. Před tiskem je proto nezbytné důkladné vysušení filamentu při teplotě 70-80°C po dobu 4-6 hodin. Vlhký polykarbonát způsobuje při tisku praskání, bubliny a zhoršenou kvalitu povrchu.
Kvůli vysokým tiskovým teplotám je pro tisk polykarbonátu nutná tiskárna s all-metal hot-endem, jelikož hot-endy s PTFE trubičkou nejsou schopné bezpečně dosáhnout a udržet potřebné teploty. Pro kvalitní tisk polykarbonátu se také důrazně doporučuje uzavřená tisková komora, která pomáhá udržovat stabilní teplotu v okolí tisknutého objektu.
Hlavní výzvou při tisku polykarbonátu je jeho tendence ke značnému smrštění během chladnutí, typicky 0,7-0,8%. Toto výrazné smrštění může vést k warping efektu (kroucení a odlepování od podložky) a vnitřnímu pnutí v materiálu, které může způsobit praskání vrstev nebo deformace výtisku.
Pro minimalizaci těchto problémů je vhodné implementovat následující strategie:
Tisk v uzavřené a vyhřívané komoře – ideálně s udržovanou teplotou 50-70°C
Použití brim (široký okraj) nebo raft (podkladová vrstva) pro lepší adhezi k podložce
Snížení rychlosti tisku, zvláště u prvních vrstev
Modelování s ohledem na tepelné smrštění – zohlednění smrštění při návrhu přesných dílů
Postupné ochlazování hotového výtisku – vypnutí vyhřívané podložky až po úplném dokončení tisku
Pro dosažení maximální rozměrové přesnosti se doporučuje kalibrovat průtok materiálu (flow rate) a provést testovací tisky před finálním výrobkem. Polykarbonát také vyžaduje pečlivé nastavení retrakce pro minimalizaci strunování, které je u tohoto materiálu poměrně časté.
Polykarbonát nabízí vynikající kombinaci mechanických vlastností, které ho řadí mezi nejodolnější materiály dostupné pro FDM 3D tisk. Jeho pevnost v tahu se pohybuje mezi 55-75 MPa, což je srovnatelné nebo lepší než u ASA či ABS. Nejpozoruhodnější vlastností polykarbonátu je však jeho mimořádná rázová houževnatost, která je až 250-krát vyšší než u běžného skla a 30-krát vyšší než u akrylátu (PMMA).
Youngův modul pružnosti polykarbonátu (2,0-2,4 GPa) indikuje dobrou tuhost při zachování určité pružnosti, což umožňuje materiálu absorbovat energii nárazu bez prasknutí. Tato kombinace tuhosti a houževnatosti činí polykarbonát ideálním pro součásti vystavené mechanickému namáhání, vibracím a rázovému zatížení.
Kromě mechanické odolnosti vyniká polykarbonát také svou tepelnou stabilitou do přibližně 130-140°C, což významně překonává PLA (55-60°C), PETG (70-80°C) i ASA (až 93°C). Tato vlastnost umožňuje použití polykarbonátu v prostředích s vysokými teplotami, kde by jiné běžné 3D tiskové materiály selhaly.
Polykarbonát je rovněž známý svou dobrou odolností vůči řadě chemikálií, ačkoli není odolný vůči všem rozpouštědlům. Dobře odolává slabým kyselinám, alifatickým uhlovodíkům a alkoholům, ale může být poškozen silnými zásadami, aromatickými nebo chlorovanými uhlovodíky.
Polykarbonát nachází uplatnění v řadě náročných aplikací, kde jsou vyžadovány špičkové mechanické vlastnosti:
Automobilový průmysl – díly pro motorový prostor, vnitřní komponenty a prototypy odolné vysokým teplotám
Letecký průmysl – lehké a odolné díly pro interiéry letadel a funkční prototypy
Strojírenství – funkční komponenty, ozubená kola, úchyty a držáky vystavené vysokému zatížení
Ochranné prvky – průhledné ochranné kryty, štíty a bariéry odolné proti nárazu
Elektronika – teplotně odolné kryty pro elektronická zařízení a komponenty
Zdravotnictví – sterilizovatelné nástroje a pomůcky (PC je biokompatibilní a lze jej sterilizovat párou)
Optické aplikace – průhledné čočky, kryty světel a optické komponenty díky jeho vynikající optické čistotě a průhlednosti
Venkovní instalace – díky dobré UV odolnosti a mechanické pevnosti jsou PC díly vhodné pro dlouhodobé venkovní použití
Přes své vynikající vlastnosti má polykarbonát i určitá omezení:
Cenová náročnost – PC filamenty jsou výrazně dražší než běžné materiály jako PLA nebo PETG
Náročnost na tiskové vybavení – vyžaduje tiskárnu s all-metal hot-endem, uzavřenou komorou a vyhřívanou podložkou schopnou dosáhnout vysokých teplot
Citlivost na vlhkost – nutnost důkladného sušení před tiskem a správného skladování
Omezená chemická odolnost vůči některým rozpouštědlům – zejména acetonu, který se běžně používá pro vyhlazování ABS nebo ASA
Náchylnost k UV degradaci při dlouhodobém vystavení – bez ochranného UV laku může po letech na slunci žloutnout a křehnout
Obtížná recyklovatelnost v porovnání s materiály jako PLA
Polykarbonátové výtisky lze po dokončení tisku dále upravovat různými metodami pro zlepšení jejich vzhledu nebo funkčních vlastností:
Mechanické úpravy – PC se dobře brousí a leští. Lze postupovat od hrubších brusných papírů (zrnitost 150-220) k jemnějším (až 2000) a následně leštit pomocí leštících past. Pro dosažení vysokého lesku lze použít rotační nástroje s lešticí pastou.
Tepelné vyhlazování – použití horkovzdušné pistole (teplomet) při teplotě 200-250°C může pomoci vyhladit povrchové vrstvy a eliminovat viditelné linie vrstev. Tato metoda vyžaduje zkušenost a opatrnost, aby nedošlo k deformaci dílu.
Nátěry a laky – polykarbonát dobře přijímá většinu akrylových a polyuretanových nátěrů. Pro venkovní použití se doporučuje aplikace UV ochranného laku, který zabraňuje žloutnutí a degradaci materiálu. Pro optimální přilnavost se doporučuje povrch před nátěrem zbrousit a použít základovou barvu (primer).
Lepení – díly z polykarbonátu lze spolehlivě spojovat pomocí kyanoakrylátových lepidel (vteřinová lepidla), epoxidových pryskyřic nebo speciálních lepidel určených pro polykarbonát. Pro nejpevnější spoje se doporučuje použít dvousložková lepidla na bázi methakrylátu.
Chemické vyhlazování – na rozdíl od ABS nebo ASA není polykarbonát snadno vyhlazovatelný acetonem. Lze však použít dichlormethan nebo směs dichlormetanu a chloroformu pro částečné vyhlazení povrchu. Tyto chemikálie jsou však vysoce toxické a jejich použití vyžaduje přísná bezpečnostní opatření a profesionální vybavení.
Metalizace – polykarbonátové díly lze pokovit různými technikami, včetně galvanického pokovení (po aplikaci vodivé základní vrstvy) nebo vakuového napařování kovů. Tyto metody mohou výrazně zvýšit pevnost a tepelnou vodivost dílů.
Polykarbonát představuje vynikající volbu pro projekty, které vyžadují výjimečnou kombinaci mechanické pevnosti, rázové houževnatosti a tepelné odolnosti. Je obzvláště vhodný pro:
Funkční díly vystavené vysokému mechanickému namáhání – díky své mimořádné pevnosti a houževnatosti
Komponenty vystavené vysokým teplotám – s tepelnou odolností až do 130-140°C
Průhledné a optické aplikace – díky vynikající optické čistotě a průhlednosti
Díly vyžadující dlouhou životnost a stabilitu vlastností – zejména v průmyslových aplikacích
Ochranné prvky vystavené nárazům – díky schopnosti absorbovat energii nárazu bez prasknutí
Přesné strojní součásti – ozubená kola, úchyty a mechanické komponenty
Polykarbonát představuje profesionální volbu pro pokročilé uživatele 3D tisku, kteří potřebují maximální výkon a jsou připraveni investovat do náročnějšího tiskového procesu a dražšího materiálu. Přestože jeho zpracování vyžaduje specifické podmínky a určitou zkušenost, výsledné výtisky nabízejí vynikající kombinaci mechanických vlastností, tepelné odolnosti a estetického vzhledu, což z něj činí jeden z nejlepších materiálů pro technicky náročné aplikace v oblasti 3D tisku.