Пути повышения адгезии нижнего слоя в настольной FDM-печати

Адгезионное взаимодействие печатной платформы 3D принтера с нижними (закрепляющими) слоями формируемого 3D объекта является одним из острейших вопросов в настольной 3D печати. Подавляющее большинство производителей в своих рекламных компаниях скромно умалчивают о значимости данного вопроса (зачастую переходящего в «головную» боль покупателя). Уже купив 3D принтер и погрузившись в процесс 3D печати, пользователь сталкивается с проблемами отслаивания углов (эффект «лодочки»), деламинации нижних слоёв и сдвига объектов на платформе. В отличие от FDM-установок промышленного назначения, в настольных 3D принтерах отсутствует система высокотемпературного термостатирования рабочей камеры, необходимая для предотвращения процессов деформации слоёв и компенсации внутренних напряжений, возникающих в результате высокоскоростного наплавления разогретой до вязкотекучего состояния полимерной нити и ее практически моментального охлаждения. Также в большинстве бытовых моделей не предусмотрена возможность использования специального материала, формирующего систему поддержек, имеющего отличное сцепление как с платформой, так и с основным модельным материалом. Безусловно, уже имеются настольные модели с 2-мя и более экструдерами, позволяющими использовать для поддержек водорастворимый PVA пластик, однако их суммарная точность формообразования 3D объекта на данный момент далека от идеала и пока не сопоставима с промышленным типом FDM оборудования. К тому же класс термопластичных материалов, которые используются в настольной 3D печати по своим технологическим и эксплуатационным свойствам изначально уступает FDM материалам профессионального назначения.

Частично решить вопросы отслоения нижних слоёв деталей позволяет использование печатных платформ со встроенным нагревом. Однако, в случае изготовления крупных 3D объектов, например, архитектурных макетов или объектов, имеющих высокую площадь контакта поверхности с платформой (корпусные элементы приборов), это не решает проблем адгезии полностью. Усадка материала (особенно у АБС) все равно имеется, соответственно, напряжённое состояние материала может привести к отрыву как нижнего слоя, так и следующего за ним, и последующему сдвигу на платформе всей детали. Пользователи все равно вынуждены искать различные способы обеспечения адгезии (плёнки, подложки, клеи), даже в случае наличия в 3D принтере платформы с нагревом. К тому же у нагревательных платформ имеются и свои минусы, причем не только (и не столько) связанные с повышенной энергоёмкостью или безопасностью для пользователя, сколько с постоянным циклом их нагрева/охлаждения, в результате которого возможна деформация самого материала платформы, что негативно может сказаться на ровности ее поверхности и точности процесса формообразования.

Для целого модельного ряда 3D принтеров (Makerbot, CubeX от 3D Systems, bq и др.), где используется высокоплоская стеклянная платформа 'холодного' типа, вопрос носит особую актуальность. С одной стороны производители стремятся добиться максимально возможной безопасности (как можно меньше нагревающихся элементов в конструкции, т.к. устройство все чаще используется в школах и детских кружках) и энергосбережения, с другой - надо обеспечить приемлемый уровень сцепления изготавливаемой детали с платформой. С одной стороны наличие стеклянной платформы может показаться минусом, однако, на самом деле, при должной ее подготовке к процессу 3D печати, становятся очевидными и ее явные плюсы – у нее абсолютно ровная поверхность, позволяющая получать точные и гладкие поверхности в 3D объектах, полное отсутствие температурных деформаций у каленого стекла и, соответственно, невозможность коробления самой платформы с течением времени, она очень твёрдая и полностью гладкая, что позволяет использовать самый широкий диапазон средств для решения вопросов адгезии со 100% гарантией последующей очистки поверхности платформы до исходного состояния, и, наконец, она съёмная, что обеспечивает удобство съёма готовых изделий (без воздействия на устройство перемещения платформы по вертикальной оси), позволяет ее промывать тёплой водой, а также производить предварительную подготовку ее поверхности перед процессом 3D печати, а также последующую очистку.

Не вдаваясь глубоко в вопросы сравнения и выбора различных видов материалов для настольной 3D печати методом FDM, рассмотрим основные пути обеспечения адгезии для PLA (признанных всеми производителями 3D принтеров RepRap класса как самыми технологичными, гарантирующими высокий результат) и др. пластиков с платформой 3D принтера. Причем данные методы одинаково применимы как на холодных, так и на горячих платформах.1. Технологическая подготовка: тщательная калибровка печатной платформы, программная оптимизация алгоритма формирования нижних слоёв модели (методы Brim и Raft для увеличения площади контакта вокруг нижних слоёв деталей и сцепления с платформой, введение в конструкцию дополнительных геометрических элементов - 'ушек', уголков для увеличения площади сцепления) при подготовке g-code, снижение степени заполнения слоёв - в большинстве случаев достаточно 25-30%. 2. Аэрозольные спреи-адгезивы технического назначения (для временного контакта с материалом): 3M Scotch-Weld 75, Tesa 60023, Krylon®Easy-Tack, UHU 3-in-1. Использование данных технических адгезивных спреев позволяют добиться хорошего результата в случае изготовления невысоких малогабаритных деталей с относительно невысокой площадью контакта с печатной платформой. Они образуют на стекле равномерный тонкодисперсный клеевой слой наподобие скотча, который по окончании процесса можно удалить с платформы с помощью специальных аэрозольных растворителей типа 3M Cleaner Spray, Tesa 60040, Krylon®Adhesive Remover и последующей промывки в тёплой воде. Однако, в случае изготовления крупногабаритных моделей контактного усилия данных клеёв может оказаться недостаточно, чтобы выдержать сдвиг моделей с платформы или загибание углов при большой горизонтальной поверхности контакта с платформой. К тому же обязательная очистка платформы с помощью растворителей может быть неудобна или недопустима, например, в учебных заведениях или офисах.3. Малярные ленты: 3M Scotch-Blue 2090 (США), Tesa 4323 (Германия). Многие продавцы расходных материалов для 3D принтеров любят приписывать американскому 'голубому' скотчу качества фантастической адгезии. Практический опыт использования показал, что хороший результат можно получить только в случае негабаритных деталей с невысокой площадью контакта с платформой, а в случае габаритных моделей очень вероятен отрыв их краев от ленты в процессе печати. При этом, при съёме готовых изделий с платформы в ряде случаев на нижней поверхности могут оставаться трудноудалимые кусочки скотча, что портит в итоге её внешний вид. 4. Подложки на основе плёночных материалов:

- с односторонним клеевым слоем 3M IJ25-20R, Lomond Laser Film;

- с двухсторонним клеевым слоем Orabond 1334, Tesafix 4917, LG 5000, Poli-fix 345;

- карманы для ламинирования, имеющие хорошую термостойкость;

- термостойкие полиимидные плёнки (каптоновый скотч) актуальны для платформ с нагревом;

- специальные полимерные подложки, применяемые, например, в последних моделях Makerbot и bq.В случае использования односторонних плёночных подложек на полиэфирной основе толщиной 100 мкм , они клеятся липким слоем непосредственно на платформу 3D принтера, а на их верхнюю сторону (матовую на основе ламинированной бумаги или прозрачную глянцевую) происходит осаждение горячей пластиковой нити. За счёт высокой температуры нить пластика схватывается («приваривается») с верхним слоем подложки. Такой тип подложек позволяет изготавливать детали различных габаритов, однако в ряде случаев при съеме изделия с платформы, на его нижней поверхности могут оставаться трудноудалимые следы бумажной основы подложки, что отрицательно может сказаться на эстетической стороне.

Двусторонняя полиэфирная пленочная подложка имеет нижний слой с невысокой степенью адгезии, позволяющий равномерно приклеивать ее к платформе 3D принтера с возможностью лёгкого последующего удаления с неё, а также верхний слой с постоянно высокой адгезией. При осаждении разогретой до вязкотекучего состояния полимерной нити на верхнюю сторону подложки происходит схватывание ее с липким слоем. В случае изготовления мало- и среднегабаритных деталей усилия адгезии таких плёночных подложек вполне достаточно. Однако в случае, когда нужно изготовить габаритную деталь с большой площадью контакта с печатной платформой, вероятны отслоения нижних слоёв, т.к. адгезионная прочность сцепления подложки с моделью может уступать внутренним напряжениям, возникающим в детали при послойном её формообразовании.

Специальные полимерные подложки имеют термостойкий верхний слой и приклеиваются непосредственно к стеклянной платформе. Результаты испытаний показали хорошую эффективность их применения в случае изготовления малогабаритных и несложных по геометрии деталей.

5. Аэрозольный лак Lac Impresion 3D (Nelly, Испания). 100% адгезия.

Наилучшие, практически 100% (как на PLA пластике, так и на ABS и Nylon), результаты удалось получить с использованием испанского аэрозольного лака для волос Nelly. Дабы избежать различных кривотолков, уже возникавших на ресурсе 3DToday относительно данного лака, хочется немного уделить внимания 'истории вопроса'. В настоящее время в Европе, благодаря высочайшей своей эффективности, доказанной многими пользователями 3D принтеров, получил широкое распространение так называемый 3DLac - Leon 3D. Ознакомиться с его характеристиками можно на одноименном (.com) сайте изготовителя. Производится он по специальному заказу испанским косметическим предприятием Belloch Laboratory (Валенсия). По ряду определенных причин он пока не поставляется в РФ, однако в России доступен в продаже его практически 100% аналог - лак для волос Nelly (75 мл, 125 мл и 400 мл), имеющий сертификацию Таможенного Союза. Производится он тем же самым предприятием в Валенсии и имеет практически идентичную химическую рецептуру. Главное отличие 3DLac от Nelly заключается в более строгом 'промышленном' дизайне баллона, а также в отсутствии парфюмерного компонента, отвечающего за запах. Однако, при средней его стоимости 200-250 руб. (400 мл) и высочайшей эффективности с точки зрения обеспечения адгезии, с наличием быстро улетучивающегося парфюмерного запаха можно все-таки смириться. Чтобы акцентировать внимание пользователей на высокой эффективности применения Nelly (абсолютно превосходящего множество перепробованных прочих лаков для волос) именно в настольной 3D печати, были разработаны дополнительные этикетки с условным названием Lac Impresion 3D и описанием ключевых свойств, имеющих доказанную ценность при использовании в настольной FDM печати для обеспечения надёжной адгезии с платформой 3D объектов любых типоразмеров, включая крупногабаритные и с большой площадью контакта. Многократный практический опыт подтверждает, что Nelly гарантирует надёжную фиксацию нижних слоёв изделий в процессах послойного формообразования методом FDM, причем он подходит для всех типов компактных 3D принтеров. Т.к. он имеет в составе термостабилизирующее вещество, то его можно распылять как на холодных печатных платформах, так и на платформах с подогревом. На наш взгдяд, если вести речь о физико-химических методах повышения адгезии платформы, в настоящее время это наиболее эффективное средство по соотношению цена/качество, являющееся отличным заменителем дорогостоящих каптоновых лент, голубых скотчей, клейких плёнок и прочих средств, которые при более высокой стоимости далеко не всегда обладают столь высокой эффективностью. Он легко наносится тонкодисперсной струей с расстояния 30 см и образует тончайшую стекловидную плёнку, обеспечивающую устойчивую адгезию с полимерными материалами на PLA и иной основе по механизму, близкому к химической сварке. При использовании данного лака у нижних слоёв деталей формируется гладкая глянцевая поверхность, при этом после непродолжительного воздействия теплой воды готовая модель легко снимается с печатной платформы.

В заключение, хотелось бы отметить, что рассмотрены только некоторые методы обеспечения адгезии в настольных FDM-принтерах, а дальнейшая эволюция данного вопроса видится все-таки в разработке моделей с 2-мя экструдерами, обеспечивающих высокую точность формообразования с возможностью применения водорастворимых полимеров для формирования устойчивой нижней подложки и легкоудаляемых поддержек.