Baza
Wiedzy

Wyzwania w produkcji filamentu do drukarek 3D

31.12.2017

Drukarki 3D pracujące metodą FDM (ang. Fused Deposition Modeling), tworzą wyroby poprzez topienie polimeru i układanie go warstwa po warstwie. Surowcem w takiej produkcji są filamenty, które produkuje się metodą wytłaczania stopu na wytłaczarkach jednoślimakowych (linia do filamentu opisana jest tutaj) z tworzyw takich jak: PLA, ABS, PET, PMMA, PC czy TPU.

Rysunek 1 Linia do produkcji filamentu do drukarek 3D

Tworzywo w postaci granulatu suszone jest w specjalistycznych suszarkach, w celu usunięcia wilgoci, a następnie podawane w zamkniętym systemie podajników do leja zasypowego wytłaczarki. Równocześnie z głównym tworzywem podaje się barwnik, najczęściej w postaci masterbatchy. W układzie plastyfikującym, polimer ulega stopieniu i wymieszaniu z barwnikiem. Tworzywo przechodzi przez wytłaczarkę osiągając na głowicy odpowiednie ciśnienie, które powoduje „pęcznienie” tworzywa po wyjściu z wytłaczarki.

Otwór na wylocie (w narzędziu wytłaczarki) reguluje grubość i kształt uzyskanej wytłoczyny, która będąc jeszcze plastyczna, rozciągana jest dzięki naciągowi żyłki. Gorące tworzywo wchodzi poprzez otwór wlotowy do wanny gorącej, w której dla większości tworzyw stosuje się podwyższoną temperaturę, w celu zmniejszenia skurczu. Kolejna wanna z zimną wodą ma zapewnić stabilność wymiarów na dalszym etapie. Zanim filament przejdzie przez odciąg, woda chłodząca zdmuchiwana jest z żyłki przez sprężone powietrze, a średnica sprawdzana jest przez dwuosiowy laserowy pomiar precyzyjnym urządzeniem. Następnie tworzywo nawijane jest na szpule.

Ciągle nowe materiały do druku 3D

Druk 3D używany jest w wielu branżach i sferach życia, spektrum potencjalnych zastosowań stale się powiększa, przez co obserwuje się silny trend poszukiwania nowych, innowacyjnych materiałów do produkcji filamentów. W sprzedaży pojawiają się ciągle nowe produkty: o oryginalnych kolorach, z niestosowanych dotąd polimerów, blendy o pożądanych przez klientów właściwościach, wysokonapełnione kompozyty, a nawet ekologiczny filament z tworzywa z recyklingu.

Pierwsze filamenty powstawały z PLA oraz ABS i nadal są to najpopularniejsze materiały, jednak mają one ograniczone możliwości użytkowe i niezmienne właściwości - są twarde i kruche. Kilka lat temu, rewolucją stały się filamenty elastyczne z termoplastycznych elastomerów. Właściwości filamentów zmieniano również przez dodatki takie jak m.in. proszki metaliczne czy przetworzone drewno.

Niektórzy producenci tworzyw sztucznych robią kolejny krok w stronę druku 3D i zsyntezowali specjalne tworzywa o właściwościach zoptymalizowanych dla metody FDM. Takim przykładem mogą być kopoliestry, które nie zawierają styrenu, przez co nie wydzielają nieprzyjemnego zapachu podczas druku. Prowadzone są również badania nad specjalistycznym polimerem o wysokich właściwościach mechanicznych, który będzie mógł służyć do druku 3D metodą FDM.

Jednym z głównych wyzwań w działaniach rozwojowych w branży filamentów jest dobranie odpowiedniej technologii produkcji filamentu na wytłaczarce. Często rozwiązania dla przetwórstwa nowych materiałów dotyczyć muszą nie tylko zmiany parametrów wytłaczania, ale również zmian w urządzeniach. Dzięki wiedzy naszych inżynierów i doskonałemu zapleczu technicznemu, takie badania w firmie Zamak Mercator cieszą się dużym powodzeniem i prowadzą do efektywnych rozwiązań.

Wymagania jakościowe filamentu 3D

Filament do drukarek 3D musi spełniać bardzo rygorystyczne wymagania jakościowe - ściśle określoną średnicę i jednorodny rdzeń żyłki. Każde odstępstwo powoduje pogorszenie jakości wydruku, czy nawet zapychanie tworzywa w głowicy drukarki. Zazwyczaj wymagana jest dokładność średnicy filamentu w granicach +/- 0,02 mm, a owalizacja (czyli różnica między największą i najmniejszą średnicą w przekroju) powinna przyjmować wartość poniżej 0,01 mm.

Tworzywo ma znaczenie

Dla procesu wytłaczania bardzo ważny jest rodzaj tworzywa i jego parametry, a w szczególności MFR (ang. melt flow rate), czyli wskaźnik szybkości płynięcia. Do wytłaczania zaleca się stosowanie gatunków tworzyw o MFR poniżej 4 [g/10 min] ((200 oC/5 kg) według  ISO 1133). Im wyższy współczynnik MFR, tym szybciej i pod mniejszym obciążeniem płynie stopiony polimer. MFR zależy od temperatury oraz budowy polimeru - jego średniej masy molowej. Wytłaczanie tworzyw o wyższym wskaźniku szybkości płynięcia jest możliwe, ale może powodować problemy z zachowaniem wymiarów filamentu. Najczęstszym problemem jest owalizacja żyłki pod wpływem działania sił grawitacji, a łatwe płynięcie materiału może nawet uniemożliwić zazbrajanie linii. Z tego powodu, tworzywa o wysokim MFR wytłacza się w temperaturach niższych niż zalecane przez producenta.

Problemy i rozwiązania

Uzyskanie wymaganej jakości jest często problematyczne, ze względu na bardzo dużą ilość czynników wpływających na proces wytłaczania. Surowe wymagania dokładności wymiarów produktu i często niestandardowe właściwości tworzywa są przyczyną, dla której produkcja filamentu dla drukarek 3D jest jedną z najtrudniejszych technologii wytłaczania swobodnego tworzyw sztucznych. Najczęstszymi problemami, którym sprostać muszą producenci filamentów są:

  • pulsacja średnicy żyłki;
  • owalizacja;
  • pęcherze powietrza w rdzeniu żyłki;
  • wady powierzchni.

Pulsacja średnicy jest związana z nagłymi zmianami ciśnienia w głowicy, które powodują nierównomierny wypływ tworzywa z narzędzia, a przy wyciąganiu żyłki mogą powodować nawet jej zerwanie. Pulsacjom ciśnienia da się zapobiec stosując pompę tworzywa, która podaje stop z równomierną prędkością.

Pompa tworzywa montowana jest między układem uplastyczniającym a głowicą. Pompa powoduje stabilne dozowanie tworzywa i pozwala na zwiększenie osiąganego ciśnienia. Zmiana kierunku przepływu polimeru zachodząca w pompie, powoduje zmniejszenie naprężeń w materiale, co wpływa pozytywnie na jakość wytłoczyny.

Rysunek 2 Pompa tworzywa

 

Owalizacja objawia się w różnych wymiarach przekroju filamentu w osi OX i OY. Występuje często dla tworzyw o wysokim MFR i dla większych średnic filamentu (2,85 i 3,00 mm). Owalizacja filamentu może powodować zapychanie głowicy drukarki 3D, co znacznie utrudnia proces wydruku. Niwelowanie owalizacji w liniach Zamak Mercator realizuje się poprzez zastosowanie innowacyjnego, autorskiego układu podciśnienia zamontowanego na wlocie do wanny ciepłej.

Rysunek 3 Układ podciśnienia stosowany na wlocie do wanny ciepłej

Pęcherze powietrza w rdzeniu wytłoczyny pojawiają się gdy tworzywo zawiera wilgoć lub gdy  w granulacie uwięziony jest gaz. Występowanie takich niejednorodności w tworzywie może też świadczyć o zmieszaniu granulatów różnych tworzyw, które nie są ze sobą kompatybilne. W takim przypadku należy zadbać o odpowiednią kontrolę jakości surowca.

Rysunek 4 Przekrój filamentu z pęcherzykami

Zapobieganie powstawania pęcherzy można prowadzić na kilka sposobów. Najprostszym z nich jest zmiana temperatur w I strefie układu plastyfikującego i podwyższenie ciśnienia w głowicy. Zmiana temperatury ślimaka i cylindra w strefie zasilania pozwala na ściślejsze upakowanie stałego tworzywa. Często podwyższenie temperatury w pierwszej strefie cylindra wytłaczarki, zmniejsza ilość powietrza, ale w niektórych przypadkach może również pomóc w obniżeniu temperatury. Jeśli te działania nie wystarczą, czasami musi być konieczna zmiana budowy maszyny:

  • zastosowanie rowkowanej strefy zasypu;
  • zwiększenie stopnia sprężania ślimaka.

Proponowane rozwiązania problemów w produkcji filamentu do druku 3D, mają źródło w literaturze i potwierdzenie w naszym doświadczeniu zdobytym podczas badań różnych tworzyw.

Zamak Mercator Sp. z o.o. oferuje możliwość wykonania badań z zakresu przetwórstwa tworzyw sztucznych, gumy i innych nietypowych materiałów. Dysponujemy liniami testowymi do ekstruzji jak i również kadrą wykwalifikowanych pracowników mających wiedzę, zarówno teoretyczną jak i praktyczną w tym zakresie. Więcej o ofercie prac badawczych Zamak Mercator znajdą Państwo tutaj.

Licznik odwiedzin: 3424