Март 19

О выборе материалов для 3D печати, когда возможностей обычных пластиков не хватает.

Основными популярными и наиболее доступными материалами для 3D-печати являются PLA и ABS.

Ограничение применения таких материалов в большинстве случаев связано:

  • с недостаточной термостойкостью PLA (примерно до 54 °С) и хрупкостью;
  • с усадкой, короблением и растрескиванием, как и с недостаточной прочностью по оси Z (ухудшенная прочность из-за недостаточной межслойной адгезии) для пластика ABS . Пластик является хорошо горючим, при этом теплостойкость такого пластика по Вика ASTM D-1525 обычно около 94 °С , что ограничивает его применение в узлах и изделиях с длительным воздействием температур выше 80 °С.

Последнее время набрали популярность пластики SBS и PETG. Тем не менее — и они не являются панацеей:

  • пластик SBS обладает низкой жесткостью, некоторой усадкой (но менее сильной, чем у ABS) и относительно невысокой свариваемостью слоев, его удел — игрушки и макеты;
  • пластик PETG обладает низкой усадкой, отличной свариваемостью слоев, прочностью, отлично печатается. Казалось бы — лучший пластик для 3D печати, но его жесткость и твердость ниже, чем у ABS, а механическая обработка и удаление поддержек затруднительны — пластик плохо шлифуется и «ворсится». Температура размягчения его по Вика составляет (в зависимости от производителя) от 77 до 84 °С , что ограничивает применение изделий из этого полимера в узлах с длительным воздействием температур выше 65 °С.

Таким образом — представленные на рынке потребительские пластики для повседневной 3D печати обладают рядом ограниченных свойств, не позволяющих предложить одновременно термо- и ударостойкостью, вязкостью, прочностью с низким показателем анизотропных свойств.

Какой материал можно использовать, когда нужна термостойкость и жесткость, превышающая таковую у ABS, а прочность — как (даже лучше) у PETG?

Для обычных устройств производителями предлагаются армированные пластики, чаще всего нейлон, стоимость которых в разы превышает цену общераспространенных.

Более бюджетные пластики требуют других условий печати:

  • повышенных температур;
  • закрытой термокамеры;
  • медленного охлаждения, отпуска и закалки.

Я остановился на двух — сплав акрилонитрилбутадиенстирола ABS и поликарбоната PC под маркировкой ABS/PC, либо на чистом поликарбонате PC.

Год назад мне на пробу попала катушка любопытного пластика PC. Этот пруток был изготовлен из гранул литьевого (не экструзионного!) поликарбоната с улучшенными литьевыми характеристиками. Печатать этим прутком на фанерном «кубике» я не смог — любая деталь высотой более 1.5 мм с любыми доступными (температура сопла до 285°С, температура стола до 125°С, скорости печати от 10 до 60 мм/с слоем от 0.1 до 0.25 мм, стальными и латунными соплами, с закрытой картонной коробкой импровизированной «термокамерой») отслаивалась от стола с любыми адгезивами, бримом и рафтом из-за высокой усадки.

Отчет производителю о результатах и общей невозможности печати был предоставлен за кружкой пенного и вся пробная партия им (производителем) была пущена в переработку. А катушка то у меня осталась….

Спроектировав и собрав инженерный экземпляр Tough-steel для печати Ultem’ом, я решил испытать возможность еще раз.

Катушка была водружена на греющий стол с температурой в 100°С на 8 часов для сушки и заправлена после для печати. Из этого прутка сейчас отпечатаны детали печатной головки для Tough-steel v1.1 и одна деталь обдува специально была разломана «на посмотреть».

Параметры печати были подобраны с 5-ой попытки:

  • температура экструзии 285…305 °С ;
  • греющий стол 140…160 °С для первого слоя;
  • фоновая температура печати >80 °С ;
  • медленное охлаждение и обратный нагрев с выдержкой и последующим медленным охлаждением в течение 3 ч.

Детали из этого PC не коробит, усадка невелика. Изделия ломаются плохо, часто не по слоям. Пластик очень вязкий и жесткий, а еще прочный. По ощущениям — по слоям крепче PETG, так как такой же обдув из него (из PETG) был сломан легче.

На изломе части выглядят как стекло, а под увеличением (лупа 3х) можно различить только стенки периметров, само заполнение словно монолитное.

Сфотографировать место излома из-за полупрозрачности пластика тяжело, для фокусировки поместил рядом с обломком черный имбусовый ключ и сфотографировал со вспышкой.

P.S.: Надо будет попробовать собрать «ломательный» стенд с измерением усилия на излом и на разрыв между слоев и по результатам сравнить прочность деталей из этого пластика, из ABS/PC, из ABS и из PETG.

Март 17

На пути к высокотемпературной печати — 1

Пока ожидается приход катушки филамента Ultem, тестирую печать менее требовательными пластиками. Тестирую печать на таком вот «малыше»:

Это инженерная версия компактного 3D-принтера для печати тугоплавкими и требовательными пластиками. Предположительно — данный принтер должен печатать филаментом из полиэфиримида, торговое название которого Ultem.

Так как от запасов пробника Ultem не осталось ничего, печатаю прутком из литьевого поликарбоната.

Параметры печати:

  • температура экструзии — 290…305 °С;
  • температура греющего стола — 140 °С ;
  • фоновая температура рабочей камеры — 75…85 °С ;
  • сопло — 0.4 мм, печать стенок в 3 периметра;
  • заполнение детали — 100%;
  • адгезия к столу — была Ultrabase + 3D спрей для печати, почему была — попозже.

Печать начала «плыть», и это закономерно — обдув и держатель платы подключения печатной головки были сделаны из ZBS от ABS-maker. Держатель платы «поплыл» от близости к нагревательному кубику и от контакта с проводами (через стекло-силиконовый кембрик!) нагревателя.

Очевидно — детали крепления печатной головы должны быть из пластика классом не ниже, чем собираетесь печатать.

Прошлый опыт высокотемпературной печати можно рассмотреть на основе деталей от предшествующего «экспериментально-лабораторного» фанерного «кубика», а именно — модифицированного Titan Aero

От основного пластикового корпуса клона от Trianglelab за несколько месяцев эксплуатации не осталось ничего. Сначала был заменен корпус, потом «поплыл» рычаг прижима прутка, из которого в итоге вырвалась-выплавилась самостоятельно ось ролика прижима, детали были перепечатаны из ABS/PC:

В основном на том «кубике» печатался ABS/PC и ABS MAX, но разок пришлось поэкспериментировать с PEI и PEEK.

Результат можно видеть на фото — обожженные и подкопченые радиатор Titan Aero и корпус экструдера. И это все происходило при обдуве радиатора вентилятором 4020, из-за паразитных воздушных потоков которого при печати в открытом корпусе загибало пластик.

Еще из опыта эксплуатации — пруток из угленаполненного поликарбоната (15-30%) буквально «жрет» шестерню подачи. Примерно через 600-700 грамм такого прутка подающий вал/шестерня от Titan’а подлежит замене.

А на фото ниже показано, во что превратился обдув на Titan Aero от контакта с проводом нагревателя. Обдув тоже был сделан из более тугоплавкого (по сравнению с простым ABS) пластика ZBS от ABS-maker.

Понимая, что с экспериментами для достижения устойчивой печати Ultem’ом придется повозиться, заранее изготовил несколько комплектов пластиковых деталей печатающей головки для «малыша»

Материал — литьевой поликарбонат. Термостойкость деталей из этого материала по параметру «размягчение по Вика при 50Н» составляет около 142 °С. Это на актуальный момент самый термостойкий из доступных мне филаментов.

Как видно — усадки нет, края ровные, не поднятые. И это при заполнении в 100%. Усадка при плавном охлаждении детали (около 3 ч суммарно) минимальна, для этого дописываю в конец G-code исполняемого файла следующие команды:

M190 S140

G4 S900

M190 S130

G4 S900

M190 S110

G4 S1800

M190 S90

G4 S1800

M190 S130

G4 S1800

M190 S90

G4 S1800

M190 S85

G4 S450

M190 S80

G4 S450

M190 S75

G4 S450

M190 S70

G4 S450

По своим свойствам детали из PC напоминают литые. Прочность и свариваемость — не хуже PETG, но, в отличие от него, получаются намного более термостойкие детали, которые к тому же хорошо механически обрабатываются. Кстати — отделяемые поддержки часто рвутся не по слоям. На изломе самих деталей — фактура литых, словно осколки стекла.

Очень жаль, что эта катушка заканчивается и не знаю, где брать подобную — производитель этого конкретного прутка пустил всю партию в переработку из-за непригодности к печати на обычных принтерах.

Теперь немного про почившую Ultrabase.

По мере насилия над этой адгезивной плитой ее свойства от работы на непроектных параметрах (>120 °С) начали ухудшаться. Сначала перестал липнуть PLA, потом для ABS’а пришлось поднимать температуру до 110 °С, после печати PC (поликарбонатом) по привычке начал печатать пластиковые уголки на верхнюю крышку принтера на фото из ZBS и поставил температуру платформы в 115 °С, в итоге — два уголка отошли вместе с покрытием.

Само покрытие, к слову, от греющего стола отделилось довольно легко — весь клейкий термоскотч под ним был уже коричневатого подгоревшего цвета (температуры свыше 150 °С бесследно не проходят).

Для дальнейших экспериментов был приобретен в OBI комплект из 4-ех зеркальных плиток 200х200 мм, одна из которых и заняла свое место в качестве рабочей поверхности.

Теперь из наблюдашек и проблемок:

  • при парковке «в домик» по оси Z в положение Zmax ремень оси Z шириной в 10 мм ведет себя нормально. Повторяемость прихода столика в положение Z=0 составляет около 20 мкм. Проверял это подгонкой под прижим соплом листа тонкой писчей бумаги с помощью опции Marlin’а под названием Babystep;
  • при нагреве термокамеры под печать PC смещение стола по оси Z оказывает влияние на печать. В Z=0 столик приходит и не доходит до «холодного» истинно нулевого положения примерно на 130 мкм (или 0.13 мм), что обусловлено, скорее всего, удлинением зубчатого ремня от нагрева. Проблему я предвидел и в проекте версии Tough-Steel v1.3 ремень подъема по оси Z был вынесен в «холодную» зону из рабочей камеры;
  • дешевенькие термометры сопротивления (ТСП) типа Pt100 с китайской площадки от Fysetc (примерно как на фото ниже)

не подходят. При нагревах выше 300 °С компаунд из гильзы выгорает и чувствительный элемент (ЧЭ) из нее может быть легко вытащен. Также начинается дрейф показаний (не пойму отчего — возможно, контакты на переходе от ЧЭ портятся) — откалиброванная поначалу по поверенному контактному термометру ТСП-шка сейчас периодически вместо 23 показывает то 34, то 43 и иногда до 70 °С;

  • контакты разъемов x2.54 на печатной головке для термопар/термометров сопротивления неприменимы ввиду недостаточной надежности — на высокой температуре принтер периодически «сваливается» в ошибку MAXTEMP (пропадает контакт на долю секунды). Заменил на винтовые клеммные соединения;
  • подкладки под балку оси X на каретки «рельс» — неправильно. При повышенной температуре они теряют свою жесткость, либо печатать их надо из того же материала, из которого изготовлена и печатная головка — вместо этого я сделал подкладки-стойки под сами рельсовые направляющие;
  • Marlin 2.0 глюковат. В моей конфигурации постоянные проблемы с чтением SD-карт — вплоть до внезапных перезагрузок. В релизной версии нужна будет более проверенная плата. Скорее всего — от Duet3d.

Ну и куда ж без развлечений и детей:

Малыш на первом фото позволяет печатать такие модели в сборе со 100% заполнением из ZBS. И без брима. И быстро — Jerk по оси X составляет 30 мм/с, по оси Y — 20 мм/с, и показатели были уменьшены с 40 и 30 мм/с соответственно по настоянию супруги, которая не могла привыкнуть к тому, что 15-ти килограммовая тумбочка «малыша» подпрыгивает, рычит, стучит и гудит.