Расходные материалы для 3D-принтера. Как правильно выбрать пластик для FDM-печати

Данная статья представляет собой перевод, с моей небольшой импровизацией, материала известного западного сайта 3dprint.com (Guide to Selecting and Buying 3D Printing Filament in 2018)В статье я рассмотрю слова Эдварда, основателя британской компании по производству филаментов Rigid.ink, и попрошу дать комментарии популярных производителей российских пластиков.

Материал будет разделен на 2 части: рассуждение про выбор филаментов и обзор самых часто-используемых для печати материалов. Данная статья носит образовательный характер для новичков и вполне может пригодиться для специалистов.

'Когда вы покупали 3D-принтер, скорее всего вы ориентировались на текущие задачи и бюджет. Чему пользователи зачастую уделяют слишком мало внимания, так это выбору филамента. В конце концов, пластик – это пластик, правильно? Казалось бы, самый разумный вариант – найти что-нибудь подешевле, лишь бы все печаталось без проблем.

Примерно так к делу подходит большинство начинающих 3D-печатников, и это вполне понятно. Если у вас не было возможности изучать отрасль изнутри на протяжении многих лет и видеть хорошие, плохие и откровенно опасные хитрости, к которым прибегают производители расходных материалов для 3D-принтеров, то вас сложно в чем-то винить' - пишет Эдвард

В написанном выше утверждении меня смутила фраза про опасные хитрости, к которым прибегают производители расходных материалов. Что имелось в виду - сперва спросим у наших экспертов:

Комментарий Дмитрия Миллера, компания Rec3D:

Для снижения себестоимости, производители филамента могут использовать вторичное сырье, экономить на обслуживании экструзионного оборудования, игнорировать некоторые производственные этапы, например, сушку сырья, экономить на катушке и упаковке, нанимать низкоквалифицированный персонал, работающий на линии, не вести контроль качества продукции, не предоставлять ни поддержку, ни гарантию на выпускаемые материалы. Всесторонняя экономия может так же подорвать здоровье и рабочих линии и конечных пользователей, поскольку не все марки полимеров в достаточной степени безопасны.

Комментарий Дениса Журавлева, компания BestFilament:

Недорогой, в том числе отечественный абс гранулят, по паспорту имеет разбег параметров +-15%. Например, есть такой параметр, как показатель текучести расплава. По сути он влияет на то, какой коэффициент подачи выбрать при печати. И вот он на некачественном сырье имеет такой разбег. Соответственно каждая катушка имеет свой уникальный характер и параметры печати.

Второй момент. Есть номинальная производительность оборудования. К примеру экструдер может давить 12 кг в час. Но при таких скоростях качество пластика будет сомнительным. Будут пузыри, волнистый диаметр и т.д.,

потому нужно использовать скорости меньше номинальных. Но тогда пластик будет стоить дороже, т.к. оператор будет делать за одну смену меньше пластика, а зарплату попросит ту же самую.

'Ноунейм' из Китая может быть изготовлен из откровенного вторсырья ужасного качества (так могут поступать и не только китайцы), но это общий случай, он пластика не касается.

Зачастую используются суперконцентраты. Это краска, вплавленная в полимер. Найти суперконцентраты на основе твоего же полимера сложно, почти невозможно. Обычно их тогда на заказ делают, но можно брать то, что есть. К примеру суперконцентраты на основе другой марки или вообще другого полимера. Если полимеры родственные, к примеру в АБС добавили краситель на основе полистирола, то изменятся свойства исходного пластика. Но самое неприятное, что в одношнековом экструдере пластик не перемешивается. Т.е. у вас будут плавающие характеристики прутка внутри одной катушки.

Всё вышеперечисленное, для конечного потребителя, может повлиять как на качество печати, так и привести в порче оборудования. Не говоря уже о здоровье.Что пишет на этот счёт сам Эдвард:

При покупке филаментов некоторые факторы очевидны, такие как прочность или стоимость. Но необходимо учитывать и другие моменты, о которых люди редко задумываются. Например, почему при печати люминофорными филаментами нужно переходить на износостойкое сопло? Подскажу: просто потому, что такие филаменты светятся в темноте за счет добавок из алюмината стронция, а это абразивный материал.

Примечание: В статье Эдвард использует слова «плохой» и «дешевый» как синонимы, потому как в отношении филаментов эти определения почти всегда взаимозаменяемы. Не то что он хочет закрыть глаза на бюджетные ограничения, а то, что эта именно та отрасль, в которой скупой платит дважды.

Покупка дешевого филамента в незнакомых интернет-магазинах приводит к самым разным проблемам. Поймите меня правильно: на рынке масса достойных производителей пластика, и я не собираюсь злословить в чей-либо адрес. Никто не говорит, что нельзя найти достаточно качественные материалы по приемлемой цене, просто всегда приходится расставлять приоритеты и взвешивать стоимость против качества.

Большинство супербюджетных материалов попадают в категорию немарочных товаров или того хуже – вообще товаров неизвестного происхождения. Это означает, что продавцы таких филаментов могут легко и быстро менять поставщиков, ориентируясь на оптовые цены.

Другими словами, вам может повезти с катушкой хорошего качества, но когда вы повторите заказ, думая что получите такой же филамент, вам пришлют уже пруток от другого производителя с совсем другими результатами печати при тех же самых настройках 3D-принтера. Почитайте обзоры – нередки случаи, когда печатники описывают серьезные отличия в качестве от партии к партии.

Если мы говорим о популярном ПЛА-пластике, стоит иметь в виду, что это дорогое сырье. Ничего тут не поделаешь, если подходить к делу с должной добросовестностью. В итоге многие производители «бюджетного» ПЛА-филамента перенимают опыт наркоторговцев, разбавляя дорогое сырье дешевыми добавками или полилактидом низкого качества. Не всегда, конечно, но бывает и такое.

В качестве добавок может служить в лучшем случае бракованный материал, а зачастую и ненатуральные пластики. Нередко в качестве наполнителя используются древесные опилки, вызывающие забивание сопла, а вот в АБС нередко подмешивают карбонат кальция – основу известняка и мела, делающую пластик более жестким ценой увеличения хрупкости, не говоря уже о повышенном износе протягивающих механизмов и сопел.

Есть еще одна проблема с наполнителями: они снижают однородность филамента, наполняя пластик частицами с разными температурами плавления, что повышает вероятность забивания сопла. ПЛА-пластик зачастую приходится разогревать до более чем 220°C, хотя чистый полилактид не должен требовать нагревания свыше 210°C, в крайнем случае 215°C, если вы печатаете на очень высокой скорости. Некоторые специальные, инженерные варианты ПЛА действительно необходимо прогревать сильнее, но обычный полилактид не должен нуждаться в таких высоких температурах.

Проблема с дешевыми филаментами заключается не только в стабильности печати. Хотя печатать в любом случае желательно в хорошо проветриваемом помещении, это никоим образом не оправдывает практику использования опасных добавок, например желтых и красных красителей с содержанием токсичного кадмия.

Люди нередко наивно полагают, что они в безопасности, печатая исключительно ПЛА-пластиком, якобы не содержащим ненатуральных и вредных веществ. На самом же деле неразумно полагать, что весь ПЛА изготавливается только из натурального сырья и не требует таких же мер безопасности, как при работе с другими филаментами.

Многие производители дешевых филаментов из самых разных стран совершенно не принимают во внимание опасность химикатов, которые они добавляют в пластик. Стоит ли маленькая экономия больших проблем со здоровьем покупателей? Это уже вопрос этики.

Но использование филамента плохого качества не ограничивается возможными проблемами со здоровьем пользователей и подачей пластика. Необходимо еще и учитывать вариации в характеристиках, приводящие к неидеальному формированию слоев, а также низкое качество красителей, приводящее к выцветанию филамента после экструзии.

Еще одна уловка заключается в том, что некоторые производители мухлюют с нетто и брутто, предлагая килограммовые катушки филамента, хотя на самом деле это общая масса прутка и бобины. Типичная пустая катушка в среднем весит около 250 граммов, так что на самом деле вы получаете только 750 г прутка.

Когда производители торопятся с выполнением объемов, это приводит к производственному браку – прутку с овальным сечением, пузырьками воздуха или просто пылью на поверхности. В принципе, все это мелочи, но любая из них потенциально может привести к сбою и испортить распечатку. Некоторые производители прибегают к водяному охлаждению экструдируемого филамента для стабилизации диаметра, но если пруток не просушить перед намоткой, в нем может остаться влага, а это приводит к более низкому качеству печатаемых поверхностей и закипанию материала в хотэнде.

Если вам важно получать равномерно окрашенные изделия, которые к тому же успешно печатаются, вам стоит внимательнее относиться к выбору филамента. Теперь, когда вы понимаете всю важность выбора правильного прутка, перейдем к тому, как его собственно выбирать, и чем лучше печатать.

1 - Для начала найдите компанию, публикующую подробную информацию о предлагаемых материалах. Ищите детальные описания, ведь чем больше подробностей, тем сложнее производителю уйти от ответственности, если что-то пойдет не так. Допуски лучше средних, скажем порядка +/- 0,03 мм – это хорошее начало, хотя и не гарантия качества. Если вас интересует прочность или жесткость, обратите внимание на показатели по шкале Мооса или Роквелла, если таковые имеются в документации.

2 - Заказывайте пробники. Те компании, которым нечего скрывать обычно предлагают небольшие образцы, причем иногда даже бесплатные, если они уверены в качестве своей продукции. Так у вас будет возможность проделать описанные ниже опыты перед покупкой полноценных катушек. Не забывайте, что за доставку всё-равно придётся заплатить, если вы заказываете в другой регион.

3 - Производитель пластика должен указывать четкие и понятные настройки – не только температуру экструзии, но и рекомендуемое покрытие столика, скорость обдува и другие подробности. Ясные инструкции избавляют от лишней траты времени на подбор правильных параметров и дают информацию, от которой можно отталкиваться во время переговоров со службой технической поддержки, если вдруг возникнут трудности.

4 - Ищите хорошую упаковку. Тут дело не в красоте, а в том, что все филаменты должны поставляться как минимум в герметичных пакетах с абсорбирующими гранулами. Некоторые производители даже упаковывают пластик в металлизированные вакуумные пакеты, и вовсе не для того, чтобы они выглядели как нямки для космонавтов, а для защиты полимера от жары и ультрафиолета.

5 - Тестируйте пробники. Тут все зависит от конкретных материалов, но следующие рекомендации применимы к большинству из них:

- Займитесь «манулингом». Попробуйте гнуть пруток, пока он не сломается, оцените его хрупкость. Если ПЛА ломается без особого усилия, значит он несвежий или изначально неважного качества. Если же это АБС-пластик, то хрупкость указывает на высокое содержание добавок. В идеале пруток должен сгибаться, не ломаясь, на 180 градусов и обратно хотя бы один раз.

Примечание: манулинг - проверка пластика и распечатанных деталей на прочность, температурную стойкость и др. Для проверки пластика так же используются подручные средства разрушения образцов печати, в том числе и молоток. Данный жаргонизм был придуман посетителями портала 3Dtoday, опираясь на статьи автора - Gray_Manul.

- Распечатайте маленькую модель просто ради того, чтобы проверить, насколько рекомендуемые настройки соответствуют действительности. Во время печати не должно быть шипения или пара. Это означает, что филамент сухой, как и должно быть. Влажный же филамент приведет к низкому качеству поверхностей.

- На филаменте не должно быть пыли. Пара-тройка пылинок – это не страшно, а вот слой пыли на всем прутке запросто может забить сопло.

- Если под рукой имеется штангенциркуль, измерьте диаметр прутка и сравните с допусками, указанными производителем. Если допуски превышены, добросовестный дистрибьютор будет рад заменить товар. Вариации в диаметре не кажутся чем-то очевидно страшным, но на практике они могут повлиять на качество распечаток.

Пока все идет по плану? Отлично, значит вы нашли хорошего поставщика. Но если качество распечаток все же не соответствует ожиданиям, попробуйте обратиться в службу технической поддержки. Если они знают свое дело, то поделятся полезными советами или предложат обменять товар, смотря по обстоятельствам.

Слишком много печатников готовы пойти на попятную и удовлетвориться посредственными результатами, но если вы правильно настроите 3D-принтер, вы сможете получать отличные результаты даже на средненьких аппаратах.

Полный сравнительный анализ не входит в цели этого руководства, но я все же дам вам несколько советов касательно наиболее популярных материалов. Будем отталкиваться от того, что ваш 3D-принтер оснащен подогреваемым рабочим столиком и хотэндом, способным прогреваться до температур в районе 260°C. Если ваш принтер не оснащен подогревом столика, то имейте в виду, что практический выбор материалов сужается до ПЛА, полиуретана и ПЭТ-Г с необходимостью адгезивных покрытий.

PLA-пластик

PLA-пластик производят из кукурузы или сахарного тростника. Сырьем для получения служат также картофельный и кукурузный крахмал, соевый белок, крупа из клубней маниока, целлюлоза.

Если вы не уверены чем печатать, в большинстве случаев нет причины отходить от старого доброго ПЛА (полилактида). Этот пластик наиболее прост в работе, полностью натурален и биоразлагаем, что, впрочем, требует довольно долгого времени, а если он хорошего качества, то еще и на удивление крепок.

Так что в большинстве случаев этот материал хорошо подходит для конечных деталей, не подвергающихся избыточной эксплуатации. Прекрасная особенность ПЛА заключается в том, что можно получить просто идеальное качество поверхностей с минимальной возней в плане постобработки.

Многие печатники предпочитают пользоваться исключительно ПЛА, и в этом нет ничего плохого. Для многих задач этот материал подходит самым лучшим образом, но бывает и так, что хочется попробовать что-то более универсальное.

Основные нюансы:

- материал не требует подогреваемой платформы для печати и в большинстве случаев печатается без использования средств для адгезии;

- материал 'не капризен'и требует минимум навыков подготовки модели к печати;

- материал позволяет печатать детали больших размеров без закрытой камеры для печати, т.к. практически не подвержен термоусадке, которая может привести к расслоению печатаемой детали

- минусом материала является то, что готовые распечатки плохо переносят высокие температуры и оставленные на 'солнцепеке' модели начинают деформироваться;

- конечные изделия достаточно плохо подвергаются механической постобработке;

- по мнению многих владельцев 3D-принтеров материал не нужно сушить, хотя я бы рекомендовал хранить пластик в пакетах с силикагелем;

- PLA-пластик хорошо подвергается химической постобработке дихлорметаном. Так же можно использовать дихлорэтан, но он более опасен для здоровья.

- при печати PLA-пластиком необходим хороший обдув модели для охлаждения спекаемых слоев. При плохом охлаждении спекаемые слои будут с дефектами

Технические характеристики PLA и общее описание можно посмотреть в нашей энциклопедии: http://3dtoday.ru/wiki/PLA_plastic/

ABS-пластик

ABS-пластик – ударопрочный термопластик, завоевавший высокую популярность в промышленности и в аддитивном производстве.

Отличные механические и физические свойства ABS-пластика обуславливают возможность применения этого материала для создания всевозможных объектов, имеющих практическую ценность. ABS-пластик широко применяется в автомобильной, медицинской и сувенирной промышленности, в производстве спортивного инвентаря, сантехники, банковских карт, мебели, игрушек и др.

Относительно невысокая стоимость ABS-пластика и сравнительная легкость использования в качестве расходного материала привели к высокой популярности ABS среди энтузиастов 3D-печати. ABS-пластик является одним из наиболее популярных материалов для печати.

Но потенциальная токсичность материала несколько ограничивает применение в производстве игрушек, пищевой тары и медицинских инструментов.

Основные нюансы:

- По причине более высокой термоусадки при печати ABS-пластиком 3D-принтер должен быть оcнащен подогреваемой платформой и по возможности иметь закрытую камеру для печати; Сквозняки могут привести к расслоению печатаемой детали и отлипанию ее от рабочего стола. Так же для печати необходимо использовать средства адгезии, такие как лак для 3D-печати, клей для 3D-печати, ПВА клей, каптон, двусторонний скотч и др;

- Очень важную роль при работе с ABS-пластиком играют правильно подобранные параметры печати. Температура печати может колебаться от 230 до 260 градусов и подбирается к каждой катушке/производителю индивидуально;

- По рекомендациям специалистов - задаваемая толщина слоя печати должна быть меньше половины диаметра сопла;

- При печати выключается обдув детали для избежания расслоения и отрыва детали от стола. При печати сложных участков обдув используется по минимуму;

- ABS-пластик не требует сушки;

- Полученные распечатки из ABS-пластика легко подвергаются механической и химической обработке. Самый популярный метод постобработки - ацетоновая баня;

Технические характеристики ABS-пластика и общее описание можно посмотреть в нашей энциклопедии: http://3dtoday.ru/wiki/abs_plastic/

PETG

автор изображения: shtfuk

ПЭТ-Г быстро набирает популярность. Что такое ПЭТ-Г? Представьте себе ПЭТФ, широко используемый в производстве пластиковых бутылок для напитков, но с добавлением гликоля ради повышенной прочности. Когда мы говорим «повышенной», мы имеем в виду «хрен сломаешь». ПЭТ-Г – очень прочный материал с неплохой гибкостью, но при этом неэластичный в смысле растяжения.

Как и в случае с ПЛА, пластиком ПЭТ-Г очень просто печатать за счет высокой межслойной адгезии и низкого риска закручивания слоев. Если вам нужно напечатать что-то очень долговечное и сверхпрочное, стоит всерьез задуматься об этом полимере.

Основные нюансы:

- Печатать можно на чистое слекло с нанесением тонкого слоя клей-карандаша 'Каляка-маляка' или 'Эрихкраузе'. Большинство клеев от других производителей дает негативный результат. Наносить можно, как на горячий, так и на холодный стол. Главное - не переборщить — иначе, голова будет ездить внутри клеевого слоя и будет каша;

- Печатать лучше на скорости до 55 мм/сек;

- После печати на нижней части детали может остаться белый налет от клея. Этого бояться не стоит — он легко смывается обычной проточной водой;

- Печать производить на подогретом до 60-70 градусов столе;

- Обдувом лучше не пользоваться, или выставить минимальный (чем меньше обдув — тем прочнее на выходе деталь. С большим обдувом деталь получается хрупкой!). Хотя некоторые производители говорят совершенно противоположную информацию и рекомендуют печатать первые слои без вентилятора, а затем включать полный обдув. Я всё-таки рекомендую подобрать для себя те параметры печати, при которых вас будет устраивать качество получаемого изделия, а для этого нужны тесты и еще раз тесты.

- Температура печати (экструдера) в большинстве случаев это 215-220 градусов. Подбирается опытным путем. Можно тест температурный напечатать, а можно на глаз подгонять по количеству 'соплей';

- С 'соплями' бороться довольно просто. Их образование происходит по двум причинам — высокая температура экструдера иили неправильно откалиброванный стол (высота первого слоя слишком большая);

Сравнение PETG и ABS:

- PETG более прочный, чем ABS, но ABS более твердый и более жесткий;

- PETG при печати не будет деформироваться/усаживаться, как ABS;

- PETG не имеет запаха при печати;

- PETG является более химически стойким материалом и поэтому готовые детали не обрабатываются ацетоном;

Сравнение PETG и PLA:

- PLA более хрупкий материал, чем PETG;

- PLA и PETG имеют почти одинаковую плотность;

- PETG нуждается в подогреве стола при печати, тогда как PLA можно печатать и без подогрева стола;

- поддержки из PLA легко удалить, а поддержки из PETG удалить гораздо сложнее

Нейлон

Один из самых недооцененных материалов – это нейлон. Если точнее, то нейлон-12. У него довольно плохая репутация, как у трудного в работе материала, но на самом деле нужно лишь подобрать правильные настройки и покрытие рабочего столика. Печатать желательно в термокамере.

В общем и целом, нейлон-12 – это практически идеальный материал в плане универсальности. У него хорошая термо- и химическая стойкость, так что напечатанные детали не будут сильно деформироваться при низких или высоких эксплуатационных температурах или разлагаться под воздействием большинства химикатов.

Этот материал исключительно прочен, а тонкие изделия даже демонстрируют гибкость. А еще у него низкий коэффициент трения, поэтому из нейлона зачастую изготавливают шестерни для бытовых приборов и игрушек.

Нейлон-12 отличается пониженной гигроскопичностью, чем нейлон-6, к примеру, то есть не так сильно впитывает влагу, как другие варианты. Тем не менее, филаменты из нейлона-12 рекомендуется на всякий случай просушивать непосредственно перед печатью.

Основные нюансы:

- Температура печати нейлоном составляет 240°С-260°С и выше (для получения лучших результатов требуются эксперименты);

- Стол должен быть нагрет минимум до 100 градусов и выше, так как нейлон чувствителен к слишком быстрому охлаждению и может деформироваться;

- По рекомендациям специалистов - задаваемая толщина слоя печати должна быть меньше половины диаметра сопла;

- Обдув модели должен быть выключен, и старайтесь не печатать в прохладном помещении и на сквозняке;

- Все нейлоны гигроскопичны, то есть поглощают воду. Фактически, нейлон может поглотить воды до 10% от своей плотности всего за 24 часа! Поэтому необходимо хранить его в герметичном пакете с силикагелем или просто сушить каждый раз перед печатью;

- Сушка нейлона проста: просто поместите катушку в духовку при температуре около 85°C и сушите на протяжении 5-6 часов.

Применение материала:

Высоконагруженные и трущиеся детали. Температура постоянной эксплуатации от минус 40°С до плюс 90°С

Примеры применения: подвижные суставы, шестерни и другие виды передач, карабины, детали для автомобилей и др.

Эпилог

Надеюсь, что эта статья поможет вам понять важность выбора правильного филамента по достойной цене, сделает поиск постоянного поставщика и материалов менее мучительным, а заодно даст более ясное понимание того, для чего нужны данные материалы.

Следующая статья будет посвящена специфическим материалам.

Большая просьба - в комментариях к статье рассказать про вашу практику печатью данными материалами для пополнения статьи, а так же практическое применение распечаток!

За консультации по материалам выражаю благодарность:

Ивану (Plastmaska), компании REC 3D, компании BestFilament, компании ABS-Maker