Делаем 3D-печатные изделия водонепроницаемыми

Текут вазы, тонут кораблики? Ничего страшного: в этой статье разберемся, как можно добиться водонепроницаемости изделий, напечатанных на FDM 3D-принтерах.

При выборе пластика для 3D-печати в первую очередь необходимо учитывать безопасность. Некоторые полимеры могут быть слегка токсичны, как правило при нагревании. Например, из акрилонитрилбутадиенстирола (АБС) или полистирола может выделяться стирол, а это токсин и предполагаемый канцероген. Концентрации будут невысоки, но если речь идет о 3D-печати, скажем, пищевых контейнеров, лучше все же не рисковать и использовать безопасные полимеры, например REC Relax из полиэтилентерефталатгликоля (ПЭТГ). В пищевой промышленности из него как раз делают пластиковые бутылки под разные напитки.

Некоторые полимеры не очень дружат с водой. Например, сюда входят полиамиды (нейлоны), обладающие высокой гигроскопичностью и довольно быстро теряющие прочность при продолжительном контакте с водой. Полилактид (REC PLA), с другой стороны, безопасен при контакте с пищей, но обладает очень низкой температурой размягчения (~50°С), да к тому же биоразлагаем, так что контакт с горячей водой или влажной почвой, насыщенной бактериями, необходимо исключать.

К 3D-печати пищевых контейнеров стоит подходить особенно осторожно, так как поры в слоистых структурах могут стать местами скопления и размножения опасных микроорганизмов. С этим можно бороться, сглаживая поверхности растворителями, нанося специальные покрытия, переодически стерилизуя изделия или даже используя в качестве расходных материалов бактерицидные полимеры, такие как наш REC Biocide PETG.

Наконец, если вы собираетесь печатать изделия, контактирующие с горюче-смазочными материалами, необходимо заранее проверить полимер на стойкость к соответствующим веществам. 3D-печати герметичных пластиковых контейнеров для хранения газов под давлением лучше вообще избегать, так как это небезопасно.

Оптимизация дизайнов

Некоторые модели лучше подходят для контакта с водой в силу геометрической формы и алгоритмов построения. Плавные обводы всегда предпочтительны, так как углы и сильно нависающие структуры повышают риск образования полостей в процессе укладки полимерного расплава. В целом, чем проще и плавнее геометрия, тем лучше.

Очень хорошо подходит так называемый «режим вазы» — это когда слои укладываются беспрерывно, одной нитью, по спирали. Наиболее часто этот режим применяется как раз в 3D-печати ваз и других схожих округлых, зачастую симметричных предметов — отсюда и название. Чем он хорош? Дело в том, что зачастую виновниками протечек становятся не поры между слоями, а вертикальные швы, образуемые стыками нитей на каждом слое. В режиме вазы такие швы отсутствуют, а это безусловный плюс.

То же самое касается и дна: если, например, печатать контейнер прямоугольной формы, то укладка будет производиться линиями с резкими изменениями траектории укладки на углах и возле стенок, а это может приводить к образованию зазоров между нитями. В целом, холостого перемещения головки 3D-принтера, как и резких изменений траектории укладки желательно избегать.

Выбор материала

REC ABS или REC Eternal хорошо подойдут в тех случаях, когда речь не идет о пищевых контейнерах. Оба пластика обладают хорошей прочностью, но довольно прихотливы во время 3D-печати из-за сильной термоусадки, так что перед работой с этими материалами рекомендуем ознакомиться со статьей по этой ссылке. REC Eternal, в частности, рекомендуется применять в тех случаях, когда изделия планируется эксплуатировать на открытом воздухе, так как он отличается повышенной стойкостью к ультрафиолетовому излучению.

Самый простой и надежный вариант — ПЭТГ. Полиэтилентерефталат или ПЭТ, как мы уже упоминали, и так широко используется в производстве пищевой тары. ПЭТГ — это один из вариантов с дополнением гликоля, помогающего сохранять пластичность и прозрачность при нагревании. Этим материалом довольно просто печатать, плюс он дает хорошую межслойную адгезию. Мы предлагаем несколько филаментов на основе этого полимера — чистый ПЭТГ под обозначением REC Relax, недорогой стеклонаполненный композит из переработанного пластика REC rPETG GF и специальный филамент REC Biocide PETG. Последний вариант, пожалуй, оптимален для 3D-печати пищевых контейнеров, так как это ПЭТГ с биоцидными добавками, препятствующими размножению бактерий.

Еще один хороший вариант — полипропилен или REC PP+. Полипропилен тоже широко используется в пищевой промышленности: если бутылки делают из ПЭТ, то отвинчивающиеся крышечки — из полиэтилена или полипропилена. У этого полимера очень подходящие гидрофобные свойства, плюс высокая прочность и ударная стойкость, а также отличная спекаемость слоев.

Перед 3D-печатью не забудьте просушить филамент: разные полимеры по-разному впитывают влагу, но практически все они в той или они степени гигроскопичны, а накопившаяся влага может привести к возникновению дефектов поверхностей и даже снижению механических характеристик изделий. С подробными статьями про хранение и просушку филаментов можно ознакомиться здесь и здесь.

Настройки

Во многом результат будет зависеть от настроек в слайсере, но просто повышения температуры и снижения скорости укладки может быть недостаточно.

Сопло

Наиболее широко используемый диаметр — 0,4 мм, но использование больших диаметров, например 0,6 мм, может быть предпочтительным для увеличения темпа подачи расплава, чтобы можно было сильнее вдавливать расплав в слои, препятствуя образованию пор.

Толщина слоев

Стандартными соплами диаметром 0,4 мм обычно укладывают слои толщиной 0,1-0,15 мм, но в нашем случае толщину желательно снизить примерно до 0,05 мм. Как уже упоминалось выше, это поможет сильнее вдавливать расплав в уже уложенный материал, а заодно приведет к повышению толщины линий. И то, и другое будет препятствовать образованию полостей, хотя время 3D-печати несколько вырастет.

Периметры

Стенки моделей могут состоять из одной или нескольких линий-периметров. В «режиме вазы» это одна линия, но в остальных случаях количество можно регулировать. Здесь имеет смысл не экономить и увеличить количество периметров, чтобы плотно спеченный материал в одних периметрах перекрывал возможные поры в других, тем самым предотвращая образование сквозных пор. Попробуйте начать как минимум с трех периметров.

Вертикальные швы

Вертикальный шов (он же Z-seam) образуется там, где экструдер начинает и заканчивает укладывать расплав. Стыковка «головы» и «хвоста» зачастую неидеальна и способствует протеканию. Некоторые слайсеры, например PrusaSlicer, позволяют делать швы наиболее ровными и менее заметными, но в нашем случае это скорее навредит. Постарайтесь настроить так, чтобы шов в одном слое не совпадал со швами в соседних, а еще лучше, чтобы стыки не совпадали в периметрах в пределах одного слоя — это, опять-таки, поможет перекрыть возможные протечки. С другой стороны, прямой, ровный шов может быть предпочтителен, если вы намереваетесь герметизировать поверхность после 3D-печати.

Заполнение

Заполнение не играет существенной роли в герметизации, но повышает прочность, а следовательно может помешать образованию трещин. Здесь все зависит от прогнозируемых нагрузок на изделие. В большинстве случаев полное наполнение не требуется, так что ради экономии материала попробуйте сначала выставить заполнение на уровне 40%, а при необходимости повышайте вплоть до полного.

Поток

Многое будет зависеть от правильно настроенной подачи расплава, так как недоэкструзия — верный способ получить протекающее изделие. Перед 3D-печатью требуемого изделия потратьте немножко времени и материала на тестовый кубик, чтобы можно было оценить качество поверхностей и при необходимости увеличить значение потока (Flow).

Температура

Еще один важный фактор — межслойная адгезия. Спекание слоев в немалой степени зависит от температуры экструзии и обдува, так что старайтесь печатать на максимально допустимых температурах и с минимальным обдувом.

Постобработка

Снизить и даже полностью устранить вероятность протекания можно дополнительной постобработкой. Это можно сделать несколькими методами:

Обработка растворителем

Поверхностная обработка подходящим растворителем поможет не только сгладить поверхности, но и закупорить поры. Сделать это можно либо кистью или тампоном, либо с помощью паровой бани, хотя второй метод подходит не для всех полимеров — все зависит от способности требуемого растворителя повредить компоненты самого устройства. Если сохранение детализации не играет большой роли, просто используйте кисточку и не забывайте про вентиляцию.

Спекание

Изделия можно подвергнуть термической обработке в подходящей печи или даже духовке, но только осторожно: температура в духовках зачастую скачет, особенно в газовом оборудовании, так что будьте осторожны, чтобы не расплавить изделие полностью.

Покрытия

Вместо растворителя можно использовать лаки, клеи, эпоксидную смолу или фотоотверждаемые полимеры (смолы для стереолитографических 3D-принтеров или даже лак для ногтей), либо раствор использованного филамента в подходящем растворителе. Например, при 3D-печати REC ABS отделенные опоры и другие отходы можно растворить в ацетоне, а затем нанести полученный раствор на поверхность изделия и дать высохнуть. Как вариант, изделие можно покрасить, само собой не забывая использовать краски, нерастворимые в воде, и учитывая возможную токсичность покрытий при работе над пищевыми контейнерами.