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.