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.