Возможности и применение PVA в 3D печати

Введение

Поливиниловый спирт (PVA) играет важную роль в мире 3D-печати благодаря своей уникальной способности растворяться в воде. Этот материал стал неотъемлемой частью аддитивного производства, особенно в качестве поддерживающего материала для сложных моделей, которые требуют деликатного подхода. В случаях, когда механическое удаление поддержек может повредить деталь, PVA предоставляет возможность аккуратно и без повреждений удалить поддерживающие структуры, просто растворяя их в воде. Это свойство делает материал идеальным для использования в сочетании с другими популярными пластиками для 3D-печати, такими как PLA и PETG. В результате, PVA обеспечивает высокую точность печати и позволяет создавать изделия со сложной геометрией без необходимости последующей механической обработки, что экономит время и усилия.

Использование PVA в 3D-печати обусловлено его специфическими физико-химическими свойствами. Прежде всего, это высокая адгезия к термопластикам, что позволяет создавать прочные и надежные соединения между слоями материала. Кроме того, PVA является биологически разлагаемым и нетоксичным, что делает его экологически безопасным выбором для тех, кто заботится о воздействии на окружающую среду.

Для достижения оптимального качества печати с использованием PVA важно учитывать несколько факторов. Во-первых, необходимо обеспечить правильные условия хранения, защищая материал от влаги. Во-вторых, важно правильно настроить параметры печати, такие как температура и скорость, чтобы обеспечить наилучшую адгезию и качество поверхности. И, наконец, важно использовать подходящие методы постобработки, чтобы полностью извлечь выгоду из уникальных свойств PVA.

История создания

Поли(виниловый спирт) (PVA) был впервые синтезирован немецким химиком Фрицем Клатте в 1912 году. Несмотря на то, что материал был запатентован в Германии, его промышленное использование долгое время оставалось ограниченным. Лишь в конце 1930-х годов японские компании начали активно развивать его коммерческое применение. Особенно выделился бренд Kuraray, занимавшийся разработкой и массовым производством волокон Vinylon и Kuralon, которые вскоре нашли широкое применение в текстильной промышленности, строительстве и медицине.

На начальном этапе развития PVA использовался в виде порошков, волокон и растворов, которые применялись для создания водорастворимых пленок, текстильных покрытий и медицинских материалов. Уникальное свойство PVA — растворимость в воде — оказалось весьма полезным. Оно позволило использовать материал в производстве экологически чистых упаковок, медицинских капсул и специальных клеев. PVA также показал высокую эффективность при модификации бетона и резины, а также в производстве стеклопластиков с улучшенными ударопрочными характеристиками.

Несмотря на то, что технология 3D-печати начала развиваться еще в 1980-х годах, PVA долгое время не использовался в этой области из-за высокой гигроскопичности, затруднявшей его хранение и использование.

Однако в 2006 году произошел значительный прорыв: развитие технологии мультиматериальной FDM-печати позволило использовать PVA как водорастворимый поддерживающий материал для сложных конструкций с нависающими элементами, мостами и внутренними полостями.

Ранее поддерживающие структуры в 3D-печати создавались из того же материала, что и основная модель, например, из PLA или ABS. Это требовало механического удаления поддержек, что могло повредить основную деталь и оставить следы на поверхности. Использование PVA решило эту проблему: после печати поддержка просто растворяется в воде, не оставляя следов. Это значительно упростило процесс создания сложных 3D-моделей и расширило возможности применения 3D-печати в различных отраслях.

Формы поставки

ПВА доступен в различных формах, каждая из которых имеет свои преимущества и области применения. Филамент, например, используется в настольных 3D-принтерах с FDM-технологией, где он подается через экструдер и наносится слой за слоем. Гранулы ПВА могут быть использованы в промышленных установках, где материал плавится и формуется в нужную форму. Порошок ПВА, в свою очередь, может применяться в специфических технологиях 3D-печати, таких как селективное лазерное спекание.

Выбор формы ПВА зависит от конкретных задач и оборудования, используемого в процессе 3D-печати. Независимо от формы, этот материал продолжает оставаться важным инструментом для инженеров и дизайнеров, стремящихся к созданию сложных и детализированных моделей.

Филамент

Филамент PVA (поливиниловый спирт) является одним из самых популярных материалов для использования в 3D-принтерах, работающих по технологии FDM/FFF и оснащённых двумя экструдерами. Эти принтеры позволяют создавать сложные модели, которые требуют поддержки для точной и качественной печати. PVA используется именно для таких поддержек, так как он обладает уникальной способностью растворяться в воде, что значительно упрощает процесс постобработки после завершения печати.

Когда речь идёт о печати с использованием материалов, таких как PLA (полилактид), PETG (гликоль модифицированный полиэтилентерефталат) и другими полимерами, которые имеют схожие температуры экструзии, PVA становится незаменимым помощником. Это связано с тем, что он не только химически совместим с этими пластиками, но и обеспечивает стабильность и точность во время печати. После завершения процесса печати, модель с поддержками из PVA просто помещается в воду, где материал растворяется, оставляя чистую и аккуратную модель.

Гранулы

PVA в форме гранул применяется для промышленного литья, экструзии и создания индивидуального филамента в лабораторных и промышленных условиях. Некоторые производители используют гранулированный PVA для смешивания с другими материалами с целью улучшения их растворимости или механических свойств​. Также гранулы нашли широкое применение в создании биоразлагаемых плёнок и упаковочных материалов.

Порошок

Порошковая форма PVA используется в SLS-печати и в научных исследованиях. Например, эксперименты демонстрируют, что порошковый PVA можно смешивать с гидроксиапатитом для получения пористых, биосовместимых структур, способствующих регенерации костной ткани. Однако на данный момент применение чистого PVA в SLS-печати ограничивается исследовательскими задачами, поскольку сам по себе этот материал не оптимален для данной технологии. Возможно, дальнейшие исследования позволят значительно расширить его практическое применение.

Свойства и характеристики PVA

Растворение в воде 

Поливиниловый спирт обладает исключительной водорастворимостью, что делает его оптимальным для использования в 3D-печати как материал для поддержек. После завершения печати конструкции можно просто опустить в воду, где поддерживающие элементы полностью растворяются, избегая механического удаления, которое может повредить модель. Время растворения варьируется от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от толщины поддержек и температуры воды.

Экологическая безопасность 

PVA экологически безопасен, так как полностью разлагается в природных условиях, не создавая микропластиков и вредных отходов.

Отличная адгезия 

Материал прочно соединяется с PLA, PETG и некоторыми видами нейлона, что делает его подходящим выбором для поддержки сложных конструкций.

Ломкость 

Несмотря на гибкость в растворенном виде, сухой PVA весьма хрупок. При печати он может легко ломаться, особенно при чрезмерно высокой температуре экструзии или быстром охлаждении. Это ограничивает его применение в деталях, которые подвержены механическим нагрузкам.

Влагопоглощение 

Поливиниловый спирт сильно впитывает влагу из воздуха, что требует хранения в герметичных контейнерах с осушителем. В противном случае он быстро размягчается и теряет свои свойства.

Сравнение PVA с другими материалами

Преимущества и недостатки материала

Плюсы: 

Растворимость в воде – основное преимущество PVA, выделяющее его как отличный поддерживающий материал. 

Экологичность – он легко разлагается в природе, не требуя сложных методов утилизации. 

Высокая адгезия – PVA прочно соединяется с PLA, PETG и CPE, что делает его универсальным для многоматериальной печати. 

Безопасность – не выделяет вредных веществ, подходя для домашнего и образовательного использования. 

Гибкость и прочность – PVA обладает разрывной прочностью в 22 МПа и становится эластичным при намокании, что делает его подходящим для временных конструкций.

Минусы: 

Уязвимость к влаге – материал гигроскопичен и требует хранения в герметичной упаковке с осушителем, иначе снижается качество печати и возможны засоры.

Высокая цена – дороже PLA и ABS, что увеличивает затраты на печать при большом объеме поддержки. 

Ограниченная совместимость – плохо подходит для материалов с высокими температурами экструзии, таких как ABS, из-за риска разложения при температурах выше 200°C. 

Риск засорения – если оставить в разогретом сопле, материал может загустеть и вызвать засор. 

Необходимость низкой скорости печати – рекомендуется скорость 30 мм/с, что замедляет процесс.

Применение PVA в 3D-печати

Хотя PVA наиболее известен как материал для поддержек в 3D-печати, его свойства открывают множество других применений.

Биомедицинское применение

PVA широко используется для создания биосовместимых структур, например:

- Биодеградируемые имплантаты: PVA применяется для производства рассасывающихся хирургических имплантатов, таких, как сосудистые стенты и носители лекарств​.

- Тканевая инженерия: В комбинации с гидроксиапатитом (HA) PVA используется в 3D-печати биосовместимых пористых матриц, способствующих регенерации костной ткани​.

Формование и литьё

PVA можно использовать в качестве шаблонного материала для создания литейных форм: водорастворимость PVA позволяет печатать сложные формы, которые затем легко удаляются путем растворения, оставляя идеально чистую полость для заливки пластика или композитов.

Гибкие и растворимые упаковочные материалы

PVA может использоваться для изготовления биодеградируемой упаковки. Например, растворимые в воде пленки, аналогичные тем, что применяются в капсулах стирального порошка​.

Моделирование и образовательные проекты

PVA можно применять для:

Создания временных моделей для образовательных целей: Можно печатать модели, которые затем растворяются для демонстрации внутренних структур.

Производства декоративных элементов: В сфере дизайна и искусства PVA используется для создания временных форм и моделей​.

Параметры печати для PVA

Температурные параметры

Температура экструдера: 185–210 °C (старайтесь использовать минимальное приемлемое значение, так как выше 200 °C материал может начать деградировать)​.

Температура стола: 45–60 °C. Для лучшей адгезии можно использовать верхний предел диапазона​.

Температура плавления: 160–230 °C, в зависимости от типа PVA.

Температура деградации: от 200 °C – начинается карбонизация, что может привести к образованию черных пятен на изделии​.

Настройки печати

Скорость печати: 30 мм/с. При более высокой скорости возможны дефекты из-за хрупкости PVA при экструзии​.

Ретракт:

Скорость: 40 мм/с.

Дистанция: 5 мм.

Обдув: Обязательно использовать вентилятор охлаждения, но не на полную мощность (рекомендуется 50%).

Заполнение:

Для поддержек – 30% плотности.

Для контактных слоев поддержек – 70–100%​.

Разделительный зазор между опорами и моделью: 0 слоев – так как PVA полностью растворяется в воде, можно не оставлять зазор​.

Использование в качестве материала поддержек

PVA лучше всего работает с PLA, но также возможна печать с PETG, так как у них схожие температуры экструзии​.

Не рекомендуется с ABS из-за высокой температуры печати. Для ABS лучше подходит HIPS.

Минимизация расхода PVA

Рекомендуется использовать "Dense Supports" – функция в слайсерах (например, Simplify3D), позволяющая печатать PVA только в местах контакта поддержек с моделью, экономя до 90% материала​.

Функции Ooze shield и wipe wall помогают предотвратить подтекание материала из второй головки​.

Хранение и постобработка PVA

PVA – очень гигроскопичный материал. Если PVA впитает слишком много влаги, он становится мягким и липким. При нагреве в экструдере вода внутри прутка начнет испаряться, образуя пар и пузырьки. Это приводит к неравномерному вытеканию материала, деформациям и ухудшению качества печати. Такой процесс значительно ухудшает качество изделия и может привести к засору в экструдере.

Для предотвращения увлажнения рекомендуется:

Хранить PVA в герметичных контейнерах с осушителями (например, силикагелем).

Избегать хранения в помещениях с высокой влажностью.

При длительном хранении использовать вакуумные пакеты с осушителем.

Оптимальная температура хранения составляет 15-25°C, а влажность должна быть минимальной​.

Сушка перед использованием

Если материал уже поглотил влагу, его можно высушить:

В дегидраторе для пластика при 45-55°C в течение 4-12 часов.

В духовке при минимальной температуре (50-60°C в течение 8-12 часов)​.

На подогреваемом столе принтера при 50-55°C в течение нескольких часов​.

После сушки материал необходимо сразу поместить в герметичный контейнер.

Постобработка

Растворение поддержек

Поместить напечатанную деталь в теплую воду.

Время растворения – от нескольких часов до нескольких суток (зависит от объема материала).

Для ускорения процесса рекомендуется использовать теплую воду и циркуляцию жидкости​.

Удаление остатков

После полного растворения PVA деталь нужно промыть водой для удаления остатков.

Безопасность и экологичность

PVA нетоксичен и биоразлагаем. Растворенный в воде PVA можно сливать в канализацию​.

Не образует микропластик, а разлагается на безвредные компоненты​.

Производители и цены

PVA-филамент широко доступен на рынке в диаметрах 1,75 мм и 2,85 мм. Перед покупкой необходимо убедиться, что толщина филамента соответствует экструдеру вашего 3D-принтера.

Производители PVA-филамента

Среди производителей PVA-филамента можно выделить несколько крупных компаний:

SUNLU – китайский производитель, специализирующийся на разработке и производстве высококачественных филаментов и фотополимерных смол для профессиональной и промышленной 3D-печати.

Bestfilament – российский бренд с широкой линейкой филаментов. Производит PVA с хорошей растворимостью и высокой адгезией.

REC – известный российский производитель материалов для 3D-печати также предлагает различные варианты PVA в среднем ценовом диапазоне.

Стоимость PVA-филамента варьируется в зависимости от производителя и качества:

Средняя цена – около 6000₽ за 0,5 кг.

Бюджетные варианты – от 4000₽ за 0,5 кг.

Премиум-сегмент – до 12000₽ за 0,75 кг.

Заключение

PVA продолжает пользоваться популярностью как материал для поддержки в 3D-печати благодаря своей способности растворяться в воде и безопасному воздействию на окружающую среду. 

Растворимость в воде облегчает удаление поддержек без ущерба для качества деталей. Он отлично связывается с PLA, PETG и другими пластиками, что делает его практичным выбором для печати с несколькими материалами. 

Однако, из-за высокой гигроскопичности, PVA требует особых условий хранения. Также его стоимость выше по сравнению с другими материалами, такими как HIPS, что ограничивает его массовое использование. 

Даже с этими недостатками, PVA выделяется своей экологичностью и отсутствием вредных испарений, что делает его привлекательным как для профессионалов, так и для образовательных учреждений. Будущие исследования, направленные на улучшение его устойчивости к температуре и снижению поглощения влаги, могут значительно увеличить его роль в аддитивном производстве.

Если у вас остались вопросы или вы хотите проконсультироваться, связаться с нами можно любым удобным способом:

по телефону +7 (800) 333-07-58 

отправив запрос на info@3dvision.su

заполнив форму заявки на сайте

Реклама. OOO "3Д Вижн". ИНН: 7802253640