Про 3D Принтер

   Целью данной статьи является донесение информации об усадки полимера и уменьшение погрешностей размеров деталей при 3D печати.

     Для 3D печати имеет большое значение усадка детали. Из за усадки полимера абс происходит коробления детали, после чего деталь отлипает от стола и дальнейшая печать невозможна. При усадке сложно добиться точных размеров деталей. В данной статье я попытаюсь вам рассказать из за чего это происходит и как с этим можно бороться.  Далее уже про саму усадку и ниже есть раздел о том  как борются в промышленности с и этой проблемой.

Усадка полимеров и влияния условий

 Более подробно рассмотрим усадку полимеров и влияние различных условий которые способствуют усадке.

Изменение усадки по толщине изделия может быть вызвано различными скоростями охлаждения поверхностных слоев. Часто бывает невозможно добиться равномерного охлаждения из-за сложной геометрической конфигурации изделия. Неравномерное охлаждение приводит к различному тепловому сжатию материала по толщине изделия, то есть к различной усадке.

 Рис.1Коробление или внутренние напряжения могут быть вызваны различным по интенсивности охлаждением, которое приводит к усадке по толщине изделия. Более горячие поверхности имеют тенденцию к большой усадке после того, как изделие выталкивается из формы

Величину и анизотропию усадки неравномерной скорости охлаждения  можно уменьшить, если будет сделан правильный выбор системы охлаждения.

Давления уплотнения и выдержки, используемые во время переработки, оказывают значительное влияние на усадку изделия.

Высокие значения давлений уплотнения и выдержки приводят, в общем, к уменьшению усадки материала изделия, а меньшие значения — к ее увеличению. Перепад давления приводит к тому, что усадка материала увеличивается по мере приближения к периферии формующей полости, то есть к зоне, удаленной от места впуска. Изменение усадки материала  изделия из-за перепада давления в формующей полости может также приводить к размерной деформации и короблению изделия.

Рис.2 Изменение условий охлаждения расплава по толщине изделия может быть вызвано различными скоростями охлаждения слоев, прилегающих к матрице и к пуансону. Обычно охладить пуансоны труднее, чем матрицы. Более горячая сторона изделия будет испытывать большую усадку после выталкивания изделия, что приводит к возникновению внутренних напряжений, короблению изделия.

Рис.3 Усадка изделия вблизи впускного литника меньше усадки в местах, до которых поток расплава доходит в последнюю очередь

Разница в усадке может наблюдаться в отливках из частично кристаллических термопластов, армированных стекловолокнами. Ориентация волокон будет снижать продольную усадку, в то время как поперечная — оставаться относительно высокой.

Пути борьбы с короблением и усадкой.

По- возможности, нужно избегать использование в изделии стенок разной толщины из- за концентрации усадочных напряжений в переходных участках. Если же они обязательны, то желательно сделать их не перпендикулярными( острыми), а использовать клиновидные(пологие) переходные участки.

Рационально при решении этих проблем применять знаки и вставки — для формования поднутрений, или добавлять ребра и элементы жесткости на краях (торцах) изделия. Это позволяет компенсировать потерю прочности.

Использование бобышек у стенок изделия для повышения прочности при кручении и улучшении процесса заполнения формующей полости.

Упрочняющие волоконные наполнители с некруглыми поперечными сечениями волокон оказываются полезными для «борьбы» с короблением отливок. Использование стекловолокна с двухдольным поперечным сечением в частично кристаллических термопластах, может уменьшить коробление на 30-40 % по сравнению с волокнами круглого поперечного сечения.

Ребра жесткости, также могут способствовать уменьшению коробления.

Изделия, которые изготавливаются в формах с большим количеством мест впуска, расположенных равномерно на поверхности изделия, будут иметь уменьшенную длину пути потоков и будут заполняться, прежде всего, с помощью радиальных потоков, а это, в свою очередь, гарантирует более равномерное уплотнение материала.

При конструировании и подготовке производства изделий из термопластов, армированных волокнами, когда требуется выполнение жестких допусков на размеры изделий, рекомендуется применять компьютерный анализ и моделирование процесса заполнения формующей полости расплавом. Компьютерный анализ дает подробную информацию о том, какова будет ориентация волокон во время заполнения, и прогнозы в отношении усадки и коробления.

Нулевой уровень это высота между головкой экструдера и столом, которая должна быть чуть меньше, чем отверстия головки. Основные проблемы  печати возникают при неправильно настроенном нулевом уровне. Если расстояние будет меньше 100-200 мкм (при диаметре головки 0,5 мм), то полимер будет размазываться по термостолу, и, как в итоге, через некоторое время подающий болт съест пруток. Это происходит потому, что расплав полимера не может выходить из головки, внутри увеличиваются деления, и в результате пруток не двигается вниз.

Если расстояния между экструдером (НotEnd) больше выходного отверстия головки, то пруток не прилипает к термостолу. Полимер при этом налипает на термоголовку или частично прилипает к столу, но не держится на нем. В последнем случае из-за охлаждения нанесенного полимера он начинает отлипать, и, как в итоге, деталь деформируется (поднимаются края детали).

Настройка нулевого уровня.

Для настройки нулевого уровня нужно использовать 4 болта, которые держат термостол и регулятор высоты слева (см. рис.). Вначале регулируем уровень термостола при помощи уровня и выравниваем стол четырьмя болтами по краям, после чего опускаем головку экструдера до касания со столом (если термоголовка расположена низко, то нужно его поднять вверх, чтобы избежать поломки концевика). Далее через регулятор высоты выставляем высоту. Почти во всех RepRap принтерах в качестве ограничителей ставятся выключатели. При касании обычно слышан характерный щелчок. Нужно аккуратно спустить регулятор высоты до щелчка.

1-болты, регулирующие термостол, 2-регулятор высоты.

Основные проблемы при настройке нулевого уровня.

1. 1.      Неровности и недостаточная жесткость термостола. Из-за этой проблемы часто бывает сложно установить равные расстояния по всей плоскости стола. Стол сам по себе сделан из текстолита, который легко сгибается.
2. 2.      Программные недочеты. В моем случае прошивка  ведет себя почти непредсказуемо. После того как принтер уехал домой и начинает печать, головка экструдера поднимается на разное расстояние от стола. Для нормальной печати приоходится менять высоту во время печати, опираясь на адгезию прутка к столу.
3. 3.      Недостаточность, жесткость пружин. Со временем все пружины меняют свою длину. Визуально этого практически не видно, но когда речь идет о долях миллиметра, данная проблема может быть довольно критичной. Проблема решается так же, как и во втором случае, а лучше всего  заменить пружины. 

Одной из наиболее известных проблем при печати АБС пластиком является низкая адгезия полимера с столу. Если при печати ПЛА данной проблемы практически не существует, то для АБС она является чуть ли не основной.  

Кратко остановимся на физ-химии данного процесса.

Для аморфных полимеров в зависимости от температуры  возможны три физических состояния: стеклообразное, высокоэластическое и вязкотекучее. Практическое применение полимеров определяется тем, в каком из этих состояний находится данный полимер при температуре его использования.

Для стеклообразных полимеров характерны относительно небольшие упругие (обратимые) деформации (1-10%),причем полимерные стекла отличаются повышенной прочностью от низкомолекулярных стеклообразных тел, которые разрушаются при деформировании уже на 0,1-1%.

Высокоэластические полимеры способны обратимо деформироваться на сотни процентов. В высокоэластическом состоянии в условиях эксплуатации находятся все каучуки. Это состояние характерно лишь для полимеров.

В вязкотекучем состоянии полимер ведет себя как очень вязкая жидкость, которая под действием силы проявляет необратимую деформацию (деформацию течения). Это состояние реализуется обычно при повышенных температурах и используется для переработки полимеров в изделия.

Так вот на выходе из термоголовки АБС-пластик находится в вязкотекучем состоянии. При нанесении полимера на термостол (температура термостола 120-140º) АБС переходит в высокоэластичное состояние. В высокоэластическое состояние АБС-пластик  переходит (как и все гибкоцепные линейные полимеры) при температуре выше температуры стеклования, которая составляет ~108ºС, для АБС пластика используемого для печати на принтере. Не вникаясь далее в дебри физ-химии полимеров можно сказать следующее, хорошая (или отличная) адгезия АБС-пластика будет только на ту поверхность, которая либо переводит АБС в высокоэластичное состояние (например на нагретый термостол с термоскотчем) или же сам стол, или его поверхность находится в высокоэластичном состоянии. Последний пункт, к слову, наиболее привлекателен т.к. позволяет отказать от термостола и удешевить конструкцию принтера. Хотя использование поверхности термостола с нанесенным на него полимером в высокоэластичном состоянии уже известен [ссылка на статью со скотчем и нанесенным на него АБС], но все не позволяет отказаться от самого термостола.

Нами поставлена задача, в данной статье и в последующих, замена термостола и печать с использованием АБС на поверхности с комнатной температурой.

Основной нашей идеей является использование в качестве покрытий для печатного стола (без нагрева, разумеется) полимеров которые уже при комнатной температуре находятся в высокоэластичном состоянии.  Такие полимеры известны, более того это целый класс полимеров под названием термоэластопласты. Термоэластопласты (термопластичные эластомеры), полимерные материалы, обладающие в условиях эксплуатации высокоэластичными свойствами, характерными для эластомеров, а при повышенных температурах обратимо переходящие в пластическое или вязкотекучее состояние и перерабатывающиеся подобно термопластам [1]. Одним из таких полимеров нами апробирован синдиотактический 1,2-полибуатдиен (1,2-СПБ), с температурой стеклования -12,6ºС т.е. находящийся при комнатной температуре в высокоэластичном состоянии.  Нанесение 1,2-СПБ наносили на поверхность стекла из 5%-ного раствора в хлороформе, при комнатной температуре, толщина нанесенного слоя составляет 20-50 мкм.

Однако в «чистом» виде 1,2-СПБ не обеспечил необходимой адгезии при этом наблюдалось «утекание» 1,2-СПБ при контакте с АБС вытекающим из термоголовки. Видимо в момент контакта 1,2-СПБ с АБС на выходе из термоголовки (температура которой составляет 220-240ºС), 1,2-СПБ переходит в высокотекучее состояние при котором нанести АБС на его поверхность не представляется возможным.  

Далее наши изыскания были направлены на увеличение вязкости 1,2-СПБ с целью уменьшения его текучести при контакте с АБС. Для увеличения вязкости использовали аэросил (порошок белого цвета состоящий из частиц диоксида кремния диаметром 3-5 нм)[2], который вводили в раствор полимера непосредственно перед нанесением.

И… получилось:

По крайней мере первый слой, при нанесении последующих слоев полимер все таки становиться слишком текущим и отлипает от стекла.

К слову говоря увеличивать вязкость полимера можно не только добавлением экзотических нанонаполнителей но и банальным охлаждением. Предварительно охлажденное в морозильнике (но не ниже температуры стеклования! иначе отлипнет) стекло с 1,2-СПБ показал аналогичные результаты. Поэтому если у кого то появиться возможность заменить термостол на хладостол, то в принципе проблема решена. 

 Однако, в том виде в котором мы хотели видеть технологию печати с помощью АБС на холодной платформе, все же не существовала. Использование других марок термоэластопластов к успеху так же не привели. Набравшись негативного опыта мы задались следующим вопросом: какой существует полимер. с имеющей хорошую адгезию к стеклу и к АБС одновременно, который при этом, контактируя с выходящим из термоголовки АБС, переходил бы в высокоэластичное состояние, а не в вязкотекучее состояние. Полимерное покрытие с указанными характеристиками должен был «открыть двери» для печати на холодном столе. После долгих и упорных поисков такой полимер был найден! Причем ответом на все наши вопросы оказался ничем не примечательный пакет с белым порошком, который, к слову, благополучно валялся в нашей лаборатории несколько лет!

Им оказалась перхлорвиниловая смола – продукт дополнительного хлорирования поливинилхлорида.

Великолепная адгезия к стеклу и к горячему, и холодному АБС в купе с температурой стеклования выше 110ºС и высокая прочность пленки позволили нам реализовать свой план.

Одно без но, как всегда не обошлось, при однократном нанесении 5% раствора перхлорвиниловой смолы после высыхания, мы получали пленку толщиной 10-30 мкм (или 0,01-0,01 мм), такая пленка не выдерживает печати объектов с низкой посадочной площадью. Так при печати объекта с высотой 1,5 см и диаметром 0,5 см деталь на 3/4 высоты отклеивалась.  Данная проблема была решена с использованием более толстого слоя перхлорвиниловой смолы – 50-70 мкм (двукратное нанесение полимера). Печать  объектов с большой посадочной площадью проходила без проблем и с однократно нанесенным полимером.

Идея создания процесса принадлежит Скотту Крампу (Scott Crump), который вскоре после этого изобретения, в конце 80-х, вместе со своей женой основал компанию Stratasys. Основной частью принтера, появившегося на рынке в 1991 г., является экструдирующая головка. В ней материал (литейный воск или пластик, поступающие на катушках) предварительно нагревается до температуры плавления и подается в зону печати. Головка перемещается по двум координатам, синтезируя определенный слой модели. Затем платформа опускается, создается следующий слой и т. д. В качестве плюсов FDM можно отметить: легкость перестройки с одного нетоксичного материала на другой, низкие затраты и достаточно высокую производительность, малые температуры переработки, а также минимальное вмешательство оператора в функционирование оборудования.

В то же время данная технология не лишена и недостатков: между слоями образуются швы; головка экструдера должна постоянно двигаться, иначе материал застынет и засорит ее; возможно расслоение в случае температурных колебаний в течение цикла обработки. Ориентировочная стоимость FDM-принтера 50–220 тыс. долл.