Особенности печати не совсем обычным стеклонаполненным филаментом.

В посте пойдет речь о новом не совсем «обычном» конструкционном филаменте для 3D печати.

В последнее время участились новости о появлении разных наполненных инженерных филаментов для 3D печати. Среди них множество полиамидов (нейлонов), термопластичных полиуретанов (TPU), стирен акрилонитрилов (SAN). Иногда мелькает PETG или ABS. Подавляющее большинство этих филаментов содержит короткое углеволокно (как правило длина волокон не превышает 200 микрометров). Всё это достойные внимания материалы которые могут дать неплохие результаты для определенных применений. При выборе филамента стоит обратить внимание на особенности, полюсы и недостатки.

Одним из основных минусов для наполненных PETG и TPU является недостаток прочности а так же нестойкость под нагрузкой к температурам выше 70С. Для SAN и ABS это токсичные продукты полураспада во время экструзии и пригорания на частях печатной головки, а так же подверженность расслаиванию при печати. Наполненные полиамиды в свою очередь, отличные и прочные материалы пока в дело не вступает влажность. Так в зависимости от разных марок они набирают от 2 до 10 процентов по массе воды. Это сказывается на их прочности и геометрических размерах. Как правило после набора примерно одного процента влаги они теряют в тестах на разрыв до половины прочности и еще больше в жесткости. Так же их необходимо сушить перед печатью. Поликарбонаты - это отдельная тема – они состоят из пресловутого Бисфенола А. И если его хорошенько не высушить (нужно снизить содержание воды ниже 0.2%, что несколько затруднительно в домашних условиях), то бисфенол начнет выделятся при нагревании в результате гидролиза.

Как энтузиаст 3D печати и одновременно ученый, я постоянно сталкиваюсь с необходимостью изготовления различных функциональных деталей. Части лабораторной посуды, фиксаторы, поддержки, переходники, целые механизмы для подачи материалов в форме гранул, порошков, жидкостей и т.д. Для части применений уже имеющиеся материалы мне не подходили по тем или иным характеристикам. От сюда и родилась идея изготовить подходящий материал собственными силами. Сразу скажу что этот процесс был не быстрым и не простым. Многому приходилось учится буквально с ноля.

В результате появился филамент из не совсем обычного для 3D печати материала – полипропилена наполненного стекло волокном. Выбор такого сочетания обусловлен их общими свойствами – полипропилен как матрица хорош тем, что обладает достаточной прочностью, стойкостью к большинству кислот и растворителей, не впитывает воду, из него можно делать детали работающие в воде, у него отличная свариваемость слоев – это позволяет печатать водонепроницаемые структуры и он не подвержен расслаиванию во время печати как ABS. Термостойкость под нагрузкой около 110-120С. Его не нужно сушить перед печатью. Конечно не без ложки дегтя – у полипропилена довольно большая термоусадка, а значит и коробление при печати.

Для уменьшения усадки и для увеличения прочности и жесткости мы использовали стекловолокна. В процессе изготовления филамента удалось сохранить длину стекло волокон на уровне 0.8-0.2 мм.

В сравнительной таблице материал выделен желтым цветом. При сравнении, стоит обратить внимание на графу удельная прочность. Это прочность на разрыв отнесённая к плотности материала. Показывает, насколько прочной будет конструкция при заданной массе. То есть стекло наполненный полипропилен примерно на 150% прочнее не наполненного ABS и чуть больше чем в два раза уступает экструзионному алюминию при одинаковой массе изделия.

Теперь про особенности связанные с волокнами. При печати большая их часть ориентируется по направлению движения сопла. Но так делают не все волокна. Часть из них отклоняется чуть ли не на 90 градусов. Особенно это хорошо заметно на внешней стенке изделия.

Из этого следует две вещи: первая, - лучше после печати изделие брать в перчатках и обтереть жесткой щеткой. Вторая, - это создает отличные условия для сцепления с клеевыми и лакокрасочными составами, особенно эпоксидными. Ну или как вариант под постобработку.

Для изучения длины волокон мы взяли наш материал и парочку угленаполненных филаментов. Из фотографий волокон, после отжига полимера, ясно почему очень часто угленаполненные материалы не демонстрируют такого числа торчащих волокон – они попросту короче. На фото видно, что длина стекловолокон часто превышает 0.5 мм.

В качестве эксперимент мы попробовали печатать нашим материалом через 0.35мм сопло – не забьется ли. Честно говоря, я думал забьется сразу. Однако нет. Не забилось. Точнее забилось но далеко не сразу) а после около пол катушки. На фото ниже фрагмент стенки сосуда с резьбой, напечатанной этим соплом, для лабораторной шаровой мельницы.

И еще немного фото напечатанных деталей