Революция в FFF 3D-печати с растворимыми филаментами для опор

Одним из главных ограничений FFF 3D-печати по сравнению с другими аддитивными технологиями производства является необходимость, чтобы напечатанная область каждого слоя поддерживалась ранее напечатанным слоем. Это означает, что любая часть детали с нависом больше 45° или любой мостик длиннее 10 мм требует поддерживающих структур.

На FFF 3D-принтерах с одним экструдером единственным вариантом для генерации поддерживающих структур является использование того же печатающего материала, что и детали. Эти опоры должны удаляться механически после завершения печати, и применяются различные стратегии для облегчения этого, такие как изготовление этих опор с низкоконцентрированными структурами и оставление разделительного слоя между опорой и деталью. Это позволяет удалять опоры вручную без инструментов, хотя качество поверхностей в контакте с опорами часто плохое.

Изображение 1: Опоры на 3D-напечатанных деталях. Источник: 3DHubs

На FFF 3D-принтерах с двойными экструдерами диапазон вариантов расширяется, так как не нужно использовать тот же материал для детали и для опор. Это открывает дверь к использованию материалов, растворимых в растворителях, которые не растворяют материал детали. Это позволяет использовать плотные опоры в контакте с деталью, которые гарантируют отличный финиш контактной поверхности.

Изображение 2: Двойной экструдер Raise3D Pro2. Источник: Raise3D

Существует множество различных растворимых филаментов для опор, но они не все одинаковы, ни имеют одинаковую совместимость. При выборе растворимого носительного материала важно учитывать ряд характеристик для обеспечения совместимости с используемым печатающим материалом. Эти характеристики:

• Он должен быть растворимым в растворителе, который не повредит или не ухудшит свойства материала, использованного в детали.

• Он должен быть термически совместимым с филаментом детали, поэтому он должен иметь похожие температуры печати и базы, а также похожие температуры размягчения.
• Он должен иметь хорошее сцепление с материалом, использованным в детали.
• Он должен быть легко печатаемым и иметь хорошее сцепление между слоями.

В настоящее время существуют три основных типа растворимых материалов для опор:

• Филаменты, растворимые в органических растворителях
• Водорастворимые филаменты с использованием активатора
• Водорастворимые филаменты

РАСТВОРИМЫЕ В ОРГАНИЧЕСКИХ РАССОЛИТЕЛЯХ ФИЛАМЕНТЫ.

Это материалы со свойствами, похожими на материал, используемый в детали, но которые могут раствориться в растворителе, который не атакует и не растворяет материал, который они дополняют.

В настоящее время не существует много вариантов этого типа филаментов, главным образом из-за двух проблем: с одной стороны, материалы с похожими физико-химическими свойствами, делающими их совместимыми друг с другом, обычно также ведут себя похожим образом с большинством растворителей, что делает трудным найти подходящий растворитель. С другой стороны, многие из этих органических растворителей являются высокотоксичными или недоступными для большинства пользователей и требуют специализированной обработки отходов.

Изображение 3: D-Лимонен. Источник: Filament2print

Наиболее часто используемым филаментом этого типа является HIPS, чьи свойства делают его совместимым с большинством материалов на базе ABS и ASA. Помимо похожих термических свойств, он имеет хорошее сцепление с ABS и ASA. В настоящее время это один из самых широко используемых материалов для опор, не только из-за своей совместимости с ABS, но и из-за его низкой стоимости и того, что он растворим в D-Лимонене, доступном, недорогом и низкотоксичном органическом растворителе.

ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ФИЛАМЕНТЫ ЧЕРЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКТИВАТОРА.

Это полимеры на базе ATP (акрилатные терполимеры). Эти материалы имеют характеристику быть растворимыми в щелочных растворах. Они имеют отличную совместимость с материалами на базе ABS и ASA, и также могут использоваться с поликарбонатом (хотя их совместимость несколько ниже).

Они не растворимы напрямую в воде, так как требуют, чтобы вода имела щелочной pH, поэтому необходимо использование буферного активатора, такого как 3DWash.

Изображение 4: 3DWash. Источник: Traxer

Они являются идеальной альтернативой HIPS, не только потому, что не требуют использования органических растворителей, но и потому, что это филаменты, разработанные и аддитивированные специально для использования как материал для опор, поэтому они обычно растворяются быстрее и оставляют меньше остатков на детали.

Видео 1: Видео презентация PolyDissolve S2. Источник: Polymaker

Некоторые представительные филаменты — PolyDissolve S2 и Z-SUPPORT ATP.

ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ФИЛАМЕНТЫ

Одной из главных целей производителей было получение филаментов для опор, растворимых напрямую в воде. Это потому, что не требует органических растворителей или щелочных растворов, делая его самой безопасной и доступной альтернативой для большинства пользователей.

Именно поэтому это категория с самым широким разнообразием разных материалов и с вариантами, совместимыми с широким диапазоном филаментов.

Внутри водорастворимых филаментов можно различать два типа:

Водорастворимые филаменты, совместимые с материалами низкой температуры: Это филаменты на базе PVA (поливиниловый спирт) или BVOH (виниловый спирт бутендиола). Оба материала имеют отличную совместимость с PLA и могут использоваться с PA (хотя их совместимость не так хороша). BVOH можно считать эволюцией PVA и имеет ряд преимуществ над PVA, таких как лучшая совместимость с PETG или даже с некоторыми гибкими филаментами и более высокая скорость растворения в холодной воде. Некоторые PVA филаменты — LAY-PVA или PVA Raise, в то время как Mowiflex или Z-SUPPORT Premium основаны на BVOH.

Видео 2: Сравнение между PVA и BVOH. Источник: BCN3D

Водорастворимые филаменты, совместимые с материалами высокой температуры: Это самые передовые филаменты для опор, доступные в настоящее время. Они состоят из материала, составленного из смеси водорастворимого полимера (похожего на предыдущие) и сахара, обычно трехалозы, полисахарида, быстро растворимого в воде и с высокой термической стабильностью. Пропорция между полимером и сахаром, вместе с использованием определенных аддитивов, специфичных для каждого производителя, позволяет получать разные формулировки водорастворимых материалов, которые совместимы с материалами в широком диапазоне температур, от ABS до PEEK или ULTEM.

Изображение 5: Деталь PA-CF с опорами из Aquatek X1. Источник: 3DXTech

Некоторые филаменты, такие как Aquasys 120 или Aquatek X1, совместимы с PLA, а также ABS, ASA, PA, PETG или определенными гибкими филаментами. Aquasys 120 также может использоваться с PC или PP. Кроме того, оба материала могут выдерживать температуры камеры до 120°C и поэтому также подходят для использования в промышленных принтерах.

На ступень выше находится Aquasys 180, вероятно самый передовый и самый совместимый материал для опор, доступный сегодня. Помимо совместимости с теми же материалами, что и Aquasys 120, он может использоваться с PEKK, PEEK, ULTEM и PPSU, так как выдерживает температуры камеры до 180°C.

Изображение 6: Деталь с опорами, изготовленными из Aquasys 180. Источник: Infinite Material Solutions

Однако главное преимущество этого типа филаментов (их высокая растворимость в воде) также их главный недостаток, так как они высокочувствительны к влажности окружающей среды. Это делает необходимым хранить эти филаменты в специальных контейнерах, как во время хранения, так и во время использования. Более того, по мере впитывания влаги эти филаменты ухудшают своё сцепление и растет риск закупок.

КАК ВЫБРАТЬ НАИБОЛЕЕ ПОДХОДЯЩИЙ РАСТВОРИМЫЙ ФИЛАМЕНТ.

При выборе наиболее подходящего растворимого филамента необходимо проанализировать материал, который нужно дополнить.

• ABS/ASA: В общем рекомендуется избегать использования HIPS, так как это подразумевает обращение с органическими растворителями и генерирует отходы, которые нельзя утилизировать напрямую. В этом случае водорастворимые ATP филаменты с использованием активатора — наиболее рекомендуемый вариант. У них отличная совместимость с этими материалами и низкая чувствительность к влаге, что делает их легче в хранении и использовании, а также минимизирует риск неудач печати.

• PLA: Материалы с лучшей совместимостью с PLA — это основанные на PVA и BVOH. Внутри этих, материалы на базе BVOH менее чувствительны к влаге, хотя в общем материалы на базе PVA немного дешевле.

• PETG/PA: Хотя возможно использовать PVA и BVOH как материал для опор с PETG и PA, их совместимость не особенно хороша. В этом случае лучшим вариантом являются водорастворимые филаменты, совместимые с материалами высокой температуры, такие как Aquasys 120.

• Гибкие: Совместимость между материалами для опор и гибкими материалами никогда не была особенно хорошей. Можно использовать BVOH или материалы вроде Aquasys 120 с некоторыми гибкими филаментами, однако нужно будет тестировать каждый гибкий филамент для проверки совместимости.

• PEEK/PEKK/PEI/PPSU: В этом случае лучшим вариантом является использование Aquasys 180, так как это материал, гарантирующий лучшую совместимость с этим типом материалов и имеющий лучшую термическую стабильность при высоких температурах.

• Если вы обычно используете растворимые опоры с разными материалами, идеальным вариантом является использование одного материала, совместимого со всеми материалами, такого как Aquasys 120 или Aquatek X1, вместо наличия разных для каждого материала.

Хотя растворимые филаменты часто упоминаются как единая группа, они на самом деле состоят из разных материалов, со своими очень специфическими характеристиками. В настоящее время возможно находить высококачественные растворимые филаменты, совместимые почти с любым материалом на рынке, от PLA до PEEK.