Наш ответ нейлону максу

*для опытных пользователей и профессионалов

Цель этой статьи — рассказать об одной из важных частей технологического процесса 3D-печати методом FFF* или FDM* — просушивании филамента, а также об одном из реализованных нашими партнёрами проектов.

*FFF или FDM — 3D-печать методом послойного наплавления полимерных филаментов.

3D-печать это одна из технологий которую компания "Practici" успешно использует для производства своей продукции. Они увлеклись ей около 10 лет назад, сначала из интереса, собрав сами первый свой 3D-принтер, затем для печати прототипов. На сегодня 3D-печать используется уже как для изготовления образцов, так и для функциональных изделий в единичном экземпляре или серии.

Основное направление, которое сформировалось в данном вспомогательном производстве - это изготовление сложных функциональных изделий, которые не технологичны, несут увеличение затрат при единичном производстве или вовсе не исполнимы «традиционными» технологиями (фрезеровка, токарная обработка, резка листа лазером, гибка, литьё под давлением и т.д.)

Технические требования к таким изделиям близки к максимуму того, что можно получить от технологии экструзионной 3D-печати по прочности, термостойкости и другим физико-механическим свойствам.

Ради оптимальных результатов "Practici" не только используют самые многообещающие материалы от лучших производителей, но и проводят стендовые испытания по прочности материалов на разрыв и излом.

Таким образом мы аккумулируем фактические технические характеристики материалов и определяем оптимальные режимы работы на нашем оборудовании. Многие производители материалов не описывают режимы подготовки и переработки своих продуктов, поэтому задачи по определению оптимальных режимов приходится выполнять самостоятельно.

Как видно на иллюстрации выше*, для обеспечения максимальной прочности, износостойкости и температурной стойкости продуктов мы должны рассматривать полимеры, находящиеся в середине и верхней части пирамиды. Ближе к вершине пирамиды поднимаются и требования к подготовке материалов и оборудования. 

В этой статье рассмотрим просушивание филаментов как процесс подготовки к 3D-печати.

Немного общей теории:

Просушивание — это процесс удаления влаги с поверхностей и из объема полимеров.

Виды влаги*: поверхностная, внутренняя.

*В теории их порядка четырех, но так как статья не глубоко научная, мы остановимся на обобщенных терминах.

Абсолютная влажность — это отношение массы влаги, содержащейся во влажном материале, к массе абсолютно сухого материала, выраженное в процентах.

Относительная влажность материала — это отношение массы влаги, содержащейся в материале, к его массе во влажном состоянии. так же выражается в процентах.

Начальная влажность — влажность полимера на момент поставки и во время хранения. В зависимости от типа полимера может быть от 0,1% до 10% и выше.

Конечная влажность — требуемая влажность для обеспечения качественного процесса переработки. В зависимости от типа материала и технологии переработки, а также требований к изделиям может быть от 0,2% для АБС до 0,02% для поликарбоната.

Точное измерение влажности на момент поставки условно возможно: например, для гранулированных полимеров условия описываются как ГОСТ, так и внутренними требованиями предприятий. С другой стороны, в процессе переработки такие измерения очень сложны или даже невозможны, поэтому практически всегда требуемые уровни влажности полимеров обеспечиваются требованиями к самому процессу просушивания.

Типы полимеров применительно к теме просушивания:

Негигроскопичные полимеры не имеют склонности к впитыванию внутренней влаги. Влага накапливается только на поверхностях полимеров. Поверхностная влага образуется в процессе конденсации или иного контакта с жидкостями. К таким материалам относятся, например, полиэтилены и полипропилены.

Негигроскопичные полимеры требуют в основном удаления поверхностной влаги, что упрощает требования к просушиванию. 

Гигроскопичные полимеры обладают сильной склонностью к впитыванию влаги.

Помимо поверхностного накапливания происходит поглощение влаги внутренней структурой при контакте с воздухом. Поглощение атмосферной влаги прекращается, когда концентрация внутри полимера и в атмосфере достигает равновесия.

К гигроскопичным материалам относятся нейлоны, термопластичные полиуретаны (TPU), поликарбонат, полиэталиентерефталат (PET), полибутилентерефталат (PBT), полиэфирэфиркетон (PEEK), полисульфоны (PSU) и другие полимеры — большинство, за исключением некоторых полимеров в нижней части пирамиды.

Гигроскопичные полимеры перед 3D-печатью необходимо просушивать в обязательном порядке.

Наполнители в виде стекловолокна, углеволокна и минеральных включений значительно повышают гигроскопичность.

Методы просушивания полимеров разнообразны и включают горячевоздушное с постоянным или периодическим обновлением воздуха, замкнутое с предварительным конденсационным просушиванием воздуха средствами охлаждения, просушивание материала и воздуха регенерируемым абсорбентом, вакуумное просушивание, и так далее.

Самыми эффективными и распространенными в переработке полимеров — экструзии, литье под давлением — показали себя абсорбционные и горячевоздушные сушилки.

Абсорбционные сушилки позволяют производить просушивание с точкой росы -50°С, что полностью закрывает вопрос просушивания гигроскопичных полимеров. Минус таких систем в цене и сложности, включая стоимость как оборудования, так и эксплуатации. Не следует путать эту технологию с применением пакетиков с силикагелем в любительской 3D-печати. 

Горячевоздушные сушилки оптимальны для просушивания негигроскопичных полимеров. Работа с гигроскопичными материалами требует специальных режимов и повышенных временных затрат. В отдельных случаях этот вариант вообще неприменим, в зависимости от материалов и изделий. Неоспоримый плюс горячевоздушных сушилок в сравнении с абсорбционнымм — более приемлимая стоимость.

Требования к просушиванию определяются как производителями полимеров так и потребителями в зависимости от начальной влажности сырья и требуемой конечной. При 3D печати в первую очередь необходимо ориентироваться на стандарты производителя филамента.

Ключевые параметры просушивания и важные характеристики сушилок филамента:

1. Температура просушивания
2. Время просушивания

Параметры пунктов 1 и 2 для каждого типа материалов определяются индивидуально.

3. Скорость воздушного потока внутри сушилки

Скорость воздушного потока определяет равномерность температуры в каждой точке камеры. Скорость потока важна и с точки зрения общей эффективности: интенсивный направленный поток воздуха с меньшей точкой росы способствует более быстрому удалению влаги с поверхности филамента и из внутренней структуры. Ввиду достаточно плотной намотки филаментов на катушки от этого параметра зависит скорость и равномерность просушивания всего объема материала.

4. Объем обновляемого воздуха и периодичность обновления 

По мере насыщения влагой воздуха в камере наступает равновесное состояние. Для поддержания эффективности необходимо заменять насыщенный воздух. Параметр определяется исходя из расчета адиабатических процессов.

По этому важному параметру отличаются сушильные шкафы с внутренней циркуляцией воздуха и более эффективные вентилируемые сушилки.

На основе проб и ошибок, анализа и накопленных результатов компания "Practici" сформировала основные требования к процессу просушивания и характеристикам разрабатываемого оборудования:

1. Материалы необходимо сушить перед 3D-печатью. 

Перед ответственной 3D-печатью с жесткими требованиями к физико-механическим свойствам и/или внешнему виду конечных изделий абсолютное большинство полимеров требует просушивания, в том числе полиамиды (нейлоны), угле- и стеклонаполненные полимеры, полиацетали, полисульфоны, полиэфирэфиркетоны.

3D-печать влажным филаментом чревата вскипанием расплава с образованием пузырьков воздуха в  экструдируемом материале и с вытекающими внутренними дефектами и низким качеством поверхностей.

Характерные дефекты:

• Неоднородности поверхности
• Пористости, воздушных полостей, пузырей
• Неравномерной линии экструзии
• «Струй» пластика, наплывов, натеков
• Нечеткой поверхности распечатки
• Неоднородности и пористости материала, что радикально влияет на прочность изделия
• Ухудшения когезии слоев
• Нагаров на сопле
• Иногда засорения сопла
• Из-за того, что экструзия не равномерна, с микровзрывами, поверхность сопла загрязняется, частички полимера могут размазываться по нему и по детали
• Снижения точности геометрии

Детали, напечатанные материалом без предварительного осушения

Все это отрицательно сказывается на прочности, геометрической точности и внешнем виде изделий, что особенно критично для профессионального, высокоточного производства.

Если напечатанный продукт имеет какие-либо из перечисленных дефектов, и качество просушивания филамента перед 3D-печатью под вопросом, то диагностика проблемы, как бы банально это ни звучало, заключается в просушивании филамента согласно требованиям и повторной 3D-печати. В итоге либо будет получена качественная деталь, либо никаких изменений не произойдет, но по крайней мере влияние влажности на качество будет исключено. Чтобы не тратить филамент и время напрасно, рекомендуем изначально тщательно просушивать филаменты непосредственно перед 3D-печатью.

Необходимо отметить, что даже «безобидные» и популярные в любительской среде полилактид (PLA) и полиэтилентерефталатгликоль (PETG) при 3D-печати деталей с большим объемным расходом резко проявляют негативные эффекты гигроскопичности.

Ниже приведены примеры 3D-печати полиэтилентерефталатгликолем (PETG) с укладкой соплом диаметром 1,5 мм и высотой слоев 0,7 мм. Слева показан образец из материала, хранившегося в пакете с силикагелем, справа — образец из материала, заправленного в 3D-принтер сразу после просушивания.

Слева результат 3D-печати пластиком без предварительной сушки. Справа результат 3D-печати высушенным пластиком.

2. Просушивать и поддерживать минимальную влажность филамента необходимо не только до, но и в процессе 3D-печати.

Вес крупногабаритных 3D-печатных деталей часто превышает один килограмм, а время 3D-печати может превышать семь суток. Полимеры за это время легко набирают критический объем влаги. 

Ниже приведен график, выполненный одним европейским специалистом по 3D-печати.

Как показывает иллюстрация, полиамиды, как и другие гигроскопичные материалы, достаточно интенсивно набирают влагу. Критический для переработки процент влажности может достигаться менее чем за один день. 

При работе с материалами на основе полиамида-6 и более гигроскопичными полимерами без просушивания в процессе 3D-печати дефекты можно получить уже через несколько часов после начала построения. Все зависит от типа материала, наполнителей и условий хранения.

3. Сушильная камера должна вмещать не менее двух катушек массой более 2 кг.

Как уже упоминалось, "Practici" нередко печатают детали массой более одного килограмма, при этом 3D-печать должна быть непрерывной, без пауз на смену филамента. Это связано с тем, что полимеры и, как следствие, сами детали усаживаются. Даже после относительно непродолжительного простоя зазор между соплом и последним слоем детали может значительно вырасти и привести к снижению когезии и другим дефектам, включая визуальные.

Конечно, для смены филамента нескольких минут достаточно, но для этого необходимо дежурить возле 3D-принтера в ожидании полного расхода заправленного материала, что трудновыполнимо на практике. Как результат, используются катушки с намоткой по 2-2,5 кг.

4. Для большей части инженерных материалов требуются температуры просушивания не ниже 85°С. Оборудование должно поддерживать температуры от 40°С до 130°С.

Практически все конструкционные и высокотемпературные полимеры требуют просушивания при температуре 85-90°С и выше. Ниже приведена таблица, в которой цифры схожи для материалов под разными брендами и зависят от основного полимера, модификаторов и наполнителей.

При этом нельзя ориентироваться на принцип «чем выше температура и чем дольше просушивание, тем лучше». При слишком высоких температурах полимеры деградируют: ухудшаются физико-механические свойства, возможны внешние изменения — по этой теме есть много научных статей, подтверждаемых опытом компании "Practici". То же самое касается превышения времени просушивания. Отсюда следующий пункт.

5. В устройстве должен быть реализован режим хранения — поддержания минимальной влажности филамента после просушивания. Параметры режима должны настраиваться индивидуально.

6. Параметры просушивания должны точно выдерживаться. 

К важным параметрам относятся температура в каждой части камеры, температура радиационного нагрева филамента, время просушивания, мощность воздушного потока, регенерация влажного воздуха, наличие автоматического управления отключением или сменой режимов.

При разогреве камеры необходимо избегать шокового нагревания — радиационного нагрева филамента выше допустимых температур под влиянием расположенных рядом нагревателей. Температура по всему объему камеры не должна отклоняться от заданной более чем на 2-4°С.

Проблема сильного разброса температур характерна для бытовых духовых шкафов и дегидраторов, особенно на максимальных настройках, а также для сушильных шкафов без, а иногда и с принудительной конвекцией, в зависимости от производителя. Особенно наглядны скачки в период нагревания камеры до заданной температуры. Типичные результаты шокового нагревания продемонстрированы на иллюстрациях ниже.

Катушки с филаментом имеющие деформацию по причине не контролируемой высокой температуры осушения и/или недостаточной термостойкости самого материала катушки.

При использовании таких устройств в роли сушилок настоятельно рекомендуется провести предварительные эксперименты с точными датчиками температуры внутри рабочего объема. Это поможет выявить фактические характеристики устройств и избежать потенциальных проблем с перегревом полимеров.

Необходимо внимательно контролировать рабочие температуры и не допускать нагревания не только филамента, но и пластиковых катушек выше допустимых значений. Имейте в виду, что нередко по оплошности или ради экономии производители используют катушки из менее термостойких полимеров, чем сами филаменты.

7. Пожарная безопасность, электробезопасность, наличие активных и пассивных защит.

Многие самодельные (DIY) сушилки способны разогревать воздух в камере до 100°С, при этом верхний порог эксплуатационных температур отдельных комплектующих согласно технической документации может не превышать 70-75°С. Сборка таких устройств зачастую осуществляется людьми с недостаточными знаниями в плане электрической и пожарной безопасности.

К чему это может привести, зависит от воображения и личного опыта, но мы точно знаем, что оборудование и комплектующие необходимо использовать в соответствии с заявленными характеристиками и со строгим соблюдением требований безопасности.

8. Программируемое по времени управление стартом просушивания. 

Если начало 3D-печати запланировано, например, на девять часов утра, а на просушивание требуются шесть часов, запускать сушильное оборудование необходимо в три часа ночи. Такой распорядок крайне неудобен, а потому необходима функция отложенного старта — автоматического запуска по расписанию.

9. Устройство должно отслеживать вес филамента и уведомлять оператора о нехватке перед началом 3D-печати.

С одной катушки могут последовательно печататься несколько деталей, а стоимость времени и материала при сбоях из-за нехватки филамента достаточно высока. Конструкция наших 3D-принтеров предусматривает автоматическую паузу при полном расходе филамента для заправки новой катушкой, но непрерывность все равно нарушается, а это нередко приводит к визуальным и даже конструкционным дефектам. Некоторые из них, например недостаточную когезию, выявить без разрушения печатаемых изделий невозможно.

10. Устройство должно минимизировать затраты времени на запуск, настройку и обслуживание, помогать предотвращать ошибки операторов и обеспечивать визуальный контроль параметров, влияющих на качество.

Для удобной эксплуатации необходима возможность сохранения различных профилей с настройками рабочих параметров. Устройство также должно хранить значения массы пустых катушек разных типов от разных производителей для автоматического вычета и определения массы нетто.

11. Энергоэффективность, минимальная потребляемая мощность. 

Важность потребляемой мощности связана, среди прочего, с тем, что не каждое производство обладает неограниченными электрическими мощностями. Большая часть уходит на 3D-принтеры, особенно в периоды предварительного прогрева камер и столиков, помимо этого энергия расходуется периферийным оборудованием. Общая мощность на участок в среднем составляет 5-15 кВт, поэтому говорить о лабораторных сушильных шкафах мощностью 5 кВт не приходится, к тому же для обеспечения бесперебойного производства могут потребоваться несколько сушильных устройств. Исходя из этого специалисты компании "Practici" установили верхний порог на уровне 1 кВт, а расход электроэнергии должен быть минимальным и не превышать нескольких сотен ватт в час.

12. Смотровое окно в двери или корпусе устройства. 

Требуется для визуального контроля наличия филамента, типа материала, корректной размотки, отсутствия перехлестов, состояния филамента и катушки. Открытия камеры во время работы желательно избегать для обеспечения стабильности фоновых температур.

13. Эстетичный, современный дизайн.

Каждый руководитель знает, как внешний вид оборудования влияет на заказчиков, да и самих сотрудников. Качественное оборудование должно хорошо выглядеть и вписываться в рабочее пространство, чтобы не вызывать необоснованные сомнения у потенциальных клиентов.

14. Надежность и ремонтопригодность. 

Конструктивные решения должны обеспечивать надежность, требуемый запас прочности. Должны использоваться качественные и проверенные комплектующие. Любое оборудование, даже самое надежное, обладает ограниченным ресурсом. Помимо этого в процессе эксплуатации возможны поломки по разным причинам.

Запасные части, как и стоимость ремонта, должны быть доступными с возможностью гарантийного ремонта, а по истечении гарантийных обязательств — силами собственного технического персонала.

15. Обновление программного обеспечения.

Обновление программного обеспечения должно быть максимально простым и удобным, без необходимости в специальных навыках или специализированном оборудовании.

16. Оптимальная цена продукта. 

Стоимость — одна из самых специфичных задач при исполнении проекта. Устройство должно относится скорее к профессиональному периферийному оборудованию, чем к домашнему для любительской 3D-печати, и обладать достаточно серьезным функционалом, не имея аналогов в России и не уступая, а в чем-то и превосходя по технических характеристикам зарубежные образцы. Ради конкурентоспособности "Practici" стремились к стоимости ниже европейских и американских предложений.

Специалисты компании пользовались китайскими сушилками филамента, различными дегидраторами овощей и фруктов, лабораторными сушильными шкафами. Ни один из этих вариантов не соответствовал вышеперечисленным пунктам в полной мере. Европейские компании предлагают решения, удовлетворяющие большую часть требований, но стоимость выше полумиллиона рублей, сложности поставки и технического обслуживания и отсутствие некоторых функций снижают привлекательность.

Проанализировав положительные и отрицательное стороны имеющихся устройств на рынке, компания "Practici" приняла решение самостоятельно разработать устройство, полностью соответствующее своим собственным нуждам. Так как специфика компании состоит в в разработке оборудования и средств автоматизации производств и имеет значительный опыт в переработке полимеров, разработка нового сложного устройства стала интересной и выполнимой задачей.

На основе вышеперечисленных требований сформировано техническое задание по разработке устройства, расчету адиабатических процессов и созданию собственного программного обеспечения. Спустя несколько прототипов получено многофункциональное устройство просушивания филамента  «Космос 300.2.4.ПРО».

Многофункциональное устройство просушивания филамента «Космос 300.2.4.ПРО».

Технические характеристики и функционал

• Максимальная температура: 130°С.
• Метод просушивания: радиационно-осциллирующий конвекционный горячим воздухом.
• Автоматическая дискретная замена насыщенного воздуха.
• Тип конвекции: принудительная в закрытой камере, свободная конвекция в режиме хранения.
• Таймер длительности режимов просушивания и хранения. По окончании заданного периода просушивания устройство автоматически переходит в режим хранения.
• Программная защита от радиационного перегрева материала при нагреве и поддержании температуры в камере.

Конструкция и внешний вид

• Корпус полностью выполнен из металла толщиной 1, 1,5 и 2 мм с порошковой покраской.
• Устройство имеет двойные стенки, термоизолированные утеплителем с классом горючести КМ0.
• В двери имеется большое смотровое окно, выполненное из двойного термостойкого стекла.

Управление, визуализация, навигация

Семидюймовый емкостный сенсорный IPS-экран и удобный пользовательский интерфейс с возможностью управления режимами работы, настройками веса, времени и другими функциями без перехода в подменю.

Для удобства переключатель с подсветкой включения и выключения также находится на лицевой панели.

Подача филамента сразу в 3D-принтер

Предусмотрен вывод филамента через верхнюю крышку, снизу и через боковые стенки устройства.

Помимо стандартных выходов предусмотрена возможность добавления опциональных со специальным расположением.

Количество и расположение выходов может меняться по желанию для удобной работы с требуемыми марками 3D-принтеров.

Также на эксплуатируемых устройствах расположены разъемы для подключения кабелей управления к 3D-принтерам. Решение позволяет автоматически ставить 3D-принтеры на паузу по заранее установленному минимальному весу филамента для каждого весового модуля.

Полезный объем и вместимость

Камера вмещает катушки диаметром до 350 мм. Возможно одновременное просушивание до четырех катушек шириной до 65 мм или двух катушек шириной до 130 мм. Это типовые катушки массой от 0,75 до 5 кг нетто практически всех производителей, включая REC, eSun, Ateco, Filamentarno! и других. 

На иллюстрации ниже в камере размещены катушки диаметром 300 мм и 200 мм и массой 2 кг и 0,75 кг  соответственно. Масса катушек отслеживается в индивидуальном порядке, для каждой из катушек можно выставить отдельные значения для автоматического вычета и определения массы нетто. 

Допускается установка катушек массой до 8 кг на каждый весовой модуль.

Основные функции меню

Настройка параметров просушивания выполняется в подменю «Выбор параметров сушки». Для каждого материала можно установить свой «Профиль сушки», в котором задаются:

• наименование профиля;
• температура просушивания;
• время просушивания;
• температура хранения.

Помимо заранее подготовленных профилей имеется возможность добавления кастомных. В этом же меню присутствует функция отложенного старта, позволяющая запускать оборудование автоматически в указанное время. 

В меню каждого весового модуля можно выбрать предустановленный тип пустой катушки, создать новый, осуществить тарирование весов, а также включить оповещения о достижении заданного минимального веса материала. По достижении минимального веса сработает звуковое предупреждение, при наличии соответствующей опции на специальном выходе появится напряжение 5В. Функция работает отдельно для каждого весового модуля.

Комплекс защит

Дифференциальный автоматический выключатель, заземление, программные защиты с выводом ошибок на экран, физические датчики защиты от перегрева. Мощность и массогабаритные характеристики:

• Напряжение питания, В: 220
• Максимальная электрическая мощность, кВт: 0,95
• Габариты устройства, ширина х глубина (без учета ручки двери) х высота, мм: 460х470х680
• Вес устройства, кг: 43,5

Дополнительное оснащение:

• стенд с регулировкой по высоте для оптимального размещения рядом с 3D-принтером;
• опорные поворотные колеса с тормозом;
• дополнительные выходы филамента;
• удаленное управление сушилкой.

Выводы:

1. Просушивание филаментов необходимо вне зависимости от гигроскопичности полимеров, как минимум для удаления поверхностной влаги.

2. Несмотря на кажущуюся второстепенность, просушивание филаментов играет важную роль в обеспечении высокого качества 3D-печати.

3. Определен перечень требований к специализированному оборудованию для просушивания расходных материалов. Часть требований обязательна, часть необходима для оптимизации временных затрат, точного контроля рабочих процессов, удобства эксплуатации и учета товарно-материальных ценностей.

4. В зависимости от применяемых материалов и требований к качеству и прочности изделий просушивание возможно и в не предназначенных для этого устройствах, но с определенными ограничениями, доработками оборудования и тщательным соблюдением техники безопасности. Потенциальные производственные риски индивидуальны.

5. Сконструированное устройство соответствует всем вышеперечисленным требованиям и не имеет аналогов как в России, так и за рубежом.

6. База профилей в памяти устройства будет пополняться по мере появления новых видов филамента и катушек с возможностью обновления оборудования самими пользователями.

7. Энергопотребление на примере обработки полиамида при температуре 85°С составляет 205 Вт·ч в режиме просушивания и 160 Вт·ч в режиме хранения.

8. Есть вариант качественного просушивания и 3D-печати из китайских и самодельных сушилок с такими же характеристиками. Выглядит это так (внутри сушилки Космос 300.2.4.ПРО легко размещаются две сушилки «китайского» производства с общей их вместимостью 3 катушки):

Приобрести сушилку филамента Космос 300.2.4.ПРО вы можете в нашем интернет магазине.