Коробление, усадка и ликвация

Дорогие 3Д любители приветствую вас!

Этот пост затронет процессы, происходящие внутри печатаемой детали. И далее, уже с более глубоким пониманием, вам станет легче принять превентивные меры, которые приведут к более качественной и менее проблемной печати, какой бы пластик вы не использовали.

И так мы затронем такие явления как усадка, коробление, ликвация и вытекающие из них негативные факторы.

P.S.

Для тех, у кого нет желания/времени читать весь пост целиком, вашему вниманию я подготовил видео ниже по ссылке.

И так сначала начнём с усадки.

Усадка – это свойство материала уменьшаться в объёмных и линейных размерах при затвердевании. Величина усадки выражается в процентах и зависит от химического состава материала и температуры плавления. Усадка у разных материалов разная. Именно для 3Д печати она ярка выражена в виде трещин/расслоении и поднятии краёв детали. Почему это происходит именно так, давайте детально разберём.

Представим себе сферу. И если в сфере произойдёт процесс усадки, то материал на периферии, уменьшаясь, будет стремится к центру. А материал, находящийся в центре, останется практически на месте. А теперь представим, что деталь приклеена к столу и печатается - из-за того, что на периферии детали происходит наибольшее движение материала при усадке, края при ненадёжном прилипании к столу (т.е. низкой адгезии), медленно поднимутся и уменьшаясь в объёме будут стремится к центру детали. Эта усадка возникает из-за внутренних напряжений первого рода, ещё она называется зональным внутренним напряжением (о внутренних напряжениях будет отдельный пост). Так же стоит отметить - усадка происходит преимущественно с первыми слоями детали потому, что в этой зоне происходит постоянный нагрев стола, и соответственно постоянная разница в температуре между первыми и последующими слоями. В зоне экструдера немного другая ситуация – там происходит плавление пластика, его выдавливание, а затем последующее остывание, без постоянного подогрева каждого отпечатанного слоя, как в зоне слоёв, контактирующих со столом.

Конечно же всем хочется понять, как можно минимизировать усадку. Но перед ответом на этот вопрос сначала хочется в виде примера затронуть другой технологический процесс – литьё полимеров под давлением. И так при литье 2 пресс-формы смыкаются, создавая контур будущей детали, затем пластик за короткое время заполняет форму, после чего деталь с одинаковой температурой по всему контуру начинает остывать. И здесь стоит отметить, что литьё именно под давлением даёт возможность компенсации усадки собственно самим давлением, т.е. впрыском дополнительного пластика в момент, пока 2 пресс-формы соединены. И что не мало важно деталь остывает медленно и равномерно по всей её поверхности, без каких-либо дополнительных операций по принудительному охлаждению, как на подобии обдува сопла/детали при 3Д печати. Хоть функция обдува и несёт в себе другую цель, но при этом же вносит свой негативный вклад в виде появления локальных внутренних напряжений и последующей усадки, но об этом чуть позже. И так, Литьё полимеров под давлением демонстрирует оптимальные условия технологического процесса, для минимизации такого нежелательного фактора, как усадка.

Теперь перейдём уже к технологическому процессу 3Д печати. И здесь, как раз из-за самой специфики послойного наплавления возникает проблема, от которой в некоторых случаях полностью никак не получится избавиться – это неизбежная неравномерность температуры внутри самой детали в процессе печати. Представим себе большую деталь, уже частично напечатанную. И ситуация с температурой внутри самой детали следующая – первые слои имеют температуру, близкую к температуре стеклования (примерно в диапазоне от 40 до 120 градусов), самые верхние слои имеют температуру близкую к температуре экструдера (в примерном диапазоне от 180 до 260 градусов), а температура в середине детали гораздо ниже. Основной объём детали имеет температуру близкую к температуре среды нагретой вокруг самой детали. Эта температура зависит от кинематики и конструкции самого принтера. Как кинематика и конструкция принтера влияют на прогрев среды вокруг детали – об этом будет отдельная статья. Так вот, это стандартная ситуация, при которой происходит печать, но именно такие условия способствуют усадке, которая выражена в виде поднятия краёв. И получается, что данный эффект как раз и появляется из-за невозможности изготовить изделие в условиях сохранения температуры одинаковой по всему объёму.

В итоге первый негативный фактор — это поднятие краёв детали и вывод здесь следующий – требуется минимизировать разницу в температуре по всему объёму изделия. Поэтому рекомендуется держать принтер в отапливаемом помещении. Так же, если у вас принтер открытого типа рекомендуется, сделать для него термобокс/термошкаф, оградив рабочий объём в закрытом пространстве, чтобы среда вокруг детали хорошо прогревалась за счёт нагрева стола. Пространство термобокса рекомендуется сделать по возможности минимальным, чтобы стол смог разогреть среду вокруг детали до более высокой температуры. Если же вы изготовите большой термобокс, то столу придётся прогревать больший объём и температура прогреваемой среды вокруг детали будет ниже. Так же большое внимание стоит уделить высокой адгезии детали к рабочей поверхности – чтобы края не подымались, внутренние напряжения в виде усадки не должны преодолевать силы адгезии. Поэтому подберите оптимальный вариант приклеивания детали к столу во время печати. Это может быть какой-либо клей или специальная поверхность. И при этом не забудьте правильно выставить температуру стола, чтобы температура ИМЕННО поверхности стола соответствовала рекомендациям производителя пластика. Можно так же поставить пару дополнительных контуров по периметру детали, чтобы увеличить площадь прилипания по краям. Здесь так же можно посоветовать печать на подложке.

И так, мы с вами разобрали как из-за усадки подымаются края детали, а сейчас разберём как усадка связана с трещинами/расслоением при печати. Кстати это ярко выраженно в пластиках бюджетных производителей, при включении обдува сопла + низкой степени спекания слоёв самого пластика. Так вот, расплавленный пластик выдавливается и быстро охлаждается дополнительным обдувом сопла, но из-за того, что деталь имеет из-за обдува ещё большую разницу температур в разных областях детали, это приводит уже к локальным внутренним напряжениям, которые пытаются изменить форму детали. И если при этом у пластика низкая степень спекания слоёв, то может наступить момент, когда внутренние напряжения в виде локальной усадки преодолеют силу, с которой слои между собой спеклись и произойдёт разрыв. А из-за того, что параметры печати на протяжении всего процесса изготовления детали одинаковы, образование трещин может происходить по всему объёму.

Об этом так же знают и производители пластика и они стараются уделить этому фактору внимание, изменяя химический состав так, чтобы увеличить спекание слоёв и уменьшить процент усадки.

И так, трещины между слоями — это второй негативный фактор усадки. Вывод здесь следующий – рекомендуется не скупится и не покупать очень дешёвые пластики, но с негативными отзывами, чтобы в дальнейшем не иметь непредсказуемых последствий. Если же вы работаете с незнакомым пластиком, тогда проследите как пластик ведёт себя с включённым и выключенным обдувом сопла. И решите самостоятельно - стоит ли включить обдув, либо его лучше выключить.

Следующий фактор — это коробление. Этот фактор является редким, но всё же стоит упоминания.

Коробление – это изменение формы и размеров детали под влиянием внутренних напряжений, возникающих при охлаждении. Коробление отличается от усадки тем, что при усадке изменяется геометрия детали, устремляясь уменьшится от периферии к центру, а при короблении изменяется геометрия детали в любом направлении. Например, деталь может скрутить. Коробление примечательно тем, что оно тем более выражено, чем сложнее конфигурация детали и чем интенсивнее в детали происходить охлаждение отдельных её частей. Коробление наблюдается так же при чрезмерно высоком нагреве как стола, так и экструдера. А также при высокой скорости охлаждения всей детали после завершения печати.

Порекомендовать здесь можно следующее – если у пластика высокая температура стеклования, то после завершения печати, не снимайте сразу деталь с принтера, а немного подождите, дав ей постепенно остыть, пока она будет находится в разогретой среде внутри принтера.

Кстати коробление труднее устранить в длинных и тонких изделиях. Поэтому если у вас есть возможность так же рекомендуется добавлять дополнительные рёбра жёсткости в тонкостенных областях.

Так же стоит акцентировать внимание и на том, что все вышеперечисленные эффекты могут появляется как отдельно, так и в комплексе. И немало важно, что последующие слои печати из-за негативных эффектов в начале печати, препятствуют правильному наплавлению последующих слоёв, что ещё сильнее искажает геометрию детали.

Перед тем как переходить к ликвации, хочется подытожить с усадкой и короблением, и ещё раз проговорить нужную цепочку процессов внутри детали для удовлетворительной печати. И так адгезия будущей детали со столом должна быть высокой, чтобы не произошло отлипания при сильной усадке, происходящей из-за внутреннего напряжения в детали. Далее спекание слоёв должно быть так же достаточно высоким, чтобы при высоком локально внутреннем напряжении не произошло появление трещин. И в конце после печати нужно, чтобы деталь остывала максимально равномерно по всему объёму, чтобы её не покоробило.

Последнее и самое незаметное свойство материала при печати – это ликвация.

Ликвация — это неоднородность по химическому составу в детали, образуемая в процессе кристаллизации. Химическая неоднородность наблюдается при печати крайне дешёвыми пластиками, когда производитель не следит за чистотой формулы пластика, смешивает разные типы пластиков, а также добавляет части ранее бракованного материала для производства нового.

Ликвация не видна невооружённым глазом, т.к. этот процесс протекает на уровне кристаллической решётки и не имеет большого значения при бытовой печати, т.к. она не сильно влияет на прочностные характеристики в 3Д печати. Так же стоит отметить, что если рассматривать сумму всех химико-физических характеристик, то степень спекания слоёв практически всегда будет слабым звеном по сравнению с ликвацией. Поэтому этот термин для вас останется больше теоретическим, нежели вы его увидите, т.к. рассматривается он под микроскопом на срезе детали.

Спасибо за внимание. Надеюсь материал был для вас полезным, желаю вам всего хорошего.