Понимание причин вскрытия в 3D-печатных полимерных частях

Тепловое сжатие — Полукристаллические полимеры, такие как нейлон и полипропилен, значительно сжимаются при охлаждении от температуры экструзии до комнатной температуры. Эта усадка генерирует внутренние напряжения, которые могут вызывать деформацию и растрескивание, особенно на больших плоских поверхностях. Аморфные полимеры, такие как ABS, также сжимаются, но в меньшей степени; однако их высокий коэффициент теплового расширения делает их склонными к растрескиванию напряжения, если охлаждение неравномерно.

Добавки и наполнители — Филаменты, наполненные углеродным волокном, стекловолокном или металлическими частицами, увеличивают жесткость, но снижают пластичность. Матричный полимер становится более хрупким, и волокна могут действовать как концентраторы напряжения. Трещина часто происходит на границе между матрицей и наполнителем. Эти композиты требуют тщательной настройки температуры и охлаждения, чтобы избежать микротрещин.

Причины, связанные с параметрами печати

Температура экструзии Слишком низкая — Если температура экструдера ниже рекомендуемого диапазона, полимер не течет должным образом, что приводит к плохой адгезии слоя. Материал затвердевает перед связыванием с предыдущим слоем, создавая слабый интерфейс, который трескается при минимальном напряжении. И наоборот, чрезмерно высокие температуры могут деградировать полимер, уменьшая его молекулярную массу и делая его хрупким.

Температура кроватей и адгезия первого слоя — Неадекватная температура кровати не позволяет первому слою прилипать должным образом. Если деталь поднимается со строительной пластины (деформация), возникающее напряжение может вызвать трещины, которые распространяются вверх через последующие слои. Используйте нагретую кровать и соответствующие адгезионные средства (клеевая палочка, лента художника, лист PEI или гаролит для высокотемпературных материалов).

Скорость вентилятора охлаждения — Для большинства материалов необходимо контролируемое охлаждение. Однако, если вентилятор охлаждения работает на полной скорости на материалах, которые значительно сокращаются (например, ABS, Nylon), быстрое падение температуры создает крутые тепловые градиенты. Внешние слои затвердевают и сжимаются, в то время как внутренние слои все еще горячи, вызывая растягивающие напряжения, которые раскалывают поверхность. Отрегулируйте скорость вентилятора в соответствии с рекомендациями производителя нити накала — некоторые материалы не требуют вентилятора для первых нескольких слоев.

Скорость печати — Печать слишком быстро сокращает время плавления слоев. Экструдированный материал может не иметь достаточного тепла, чтобы вызвать надлежащий поток расплава в предыдущий слой, что приводит к холодному сварному шву с плохой прочностью. Медленная печать обычно улучшает адгезию слоя, но должна быть сбалансирована с производительностью.

Высота слоя — Использование высоты слоя, которая слишком велика по отношению к диаметру сопла (например, более 75% диаметра сопла) заставляет нить накала в толстую круглую форму, которая не может эффективно связывать. Это увеличивает межслойные промежутки и восприимчивость к трещинам. Оставаться в пределах рекомендуемого диапазона высоты слоя (обычно 25-75% диаметра сопла).

Плотность и шаблон заполнения — низкая плотность заполнения (например, 5-10%) обеспечивает небольшую внутреннюю поддержку, позволяя оболочке изгибаться и трескаться при напряжении. Кроме того, резкие изменения в шаблоне заполнения (например, переключение с линий на сетку) могут создавать точки напряжения. Используйте более высокое заполнение (25-50%) для функциональных частей и выберите шаблоны с постепенными переходами (например, гироид или сотовая связь).

Факторы окружающей среды и дизайна

Температура окружающей среды и сквозняки — Холодная комната или сквозняки от кондиционирования воздуха могут вызывать неравномерное охлаждение, особенно на больших частях. Нижние слои охлаждаются и сжимаются, в то время как верхние слои остаются более горячими, что приводит к скручиванию и расслоению. Закрытие принтера камерой (или с использованием выделенного корпуса) стабилизирует температуру, что имеет решающее значение для таких материалов, как ABS и Nylon. Даже PLA выигрывает от среды без сквозняка в более холодных условиях.

Часть геометрии — острые углы, тонкие стены и высокие особенности подвержены трещинам. Правые углы концентрируют нагрузку; шлем или филе распределяет нагрузку. Тонкие стены (менее 2–3 периметров) не имеют структурной целостности. Высокие части с небольшим следом восприимчивы к деформации и растрескиванию у основания. Добавьте ободок или плот, чтобы увеличить площадь контакта и уменьшить напряжение.

Поддержка Структуры — Плохая конструкция поддержки может вызвать провисание свесов, создавая внутренние пустоты и усилители напряжения. При удалении опор неподдерживаемая область может трескаться. Используйте плотные опоры или интерфейсные слои для деликатных функций и тщательно удаляйте опоры.

Глубинный анализ конкретных полимеров

Различные полимеры имеют уникальное поведение, которое влияет на растрескивание. Понимание этих нюансов помогает в выборе правильного материала и настроек для данного применения.

PLA (полиактическая кислота)

PLA является наиболее дружественной для начинающих нитью, потому что она имеет низкую усадку и хорошо прилипает к пластине сборки. Однако она все еще может трескаться при определенных условиях. Бриттлость является основной слабостью PLA. Тонкие секции или острые углы могут щелкаться во время удаления печати или после обработки. Трескание часто вызвано поверх экструзии или забитым соплом , что создает непоследовательный поток. Держите PLA сухим — даже небольшая влажность вызывает пузырьки, которые ослабляют печать. Печать с немного более высокой температурой (210-220 ° C) может улучшить слияние слоя без введения струн. Используйте мягкий вентилятор охлаждения (50-70%), чтобы избежать деформации на больших плоских частях.

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)

ABS печально известен деформацией и растрескиванием. Его высокий коэффициент теплового расширения означает, что по мере охлаждения детали резко сжимаются. Без корпуса края сворачиваются, и слоевая связь может выйти из строя, производя слышимые звуки растрескивания во время печати. Используйте нагретую кровать при 100°C и корпус для поддержания стабильной температуры окружающей среды около 45-60°C. Полоса или плот необходимы для больших частей. ABS также излучает пары, поэтому требуется вентиляция. Для снятия стресса некоторые пользователи отжигают готовую деталь в духовке при 80°C в течение часа (медленное охлаждение).

Нейлон

Нейлон жесткий и прочный, но чрезвычайно гигроскопичный. Поглощение воды вызывает паровые пустоты и хрупкость. Сухая нить на нейлоне при 70-80 °C в течение 6-12 часов перед печатью. Используйте закаленное стальное сопло, потому что нейлон абразивный. Температура кровати: 70-90 °C с корпусом. Нейлон уменьшается меньше, чем ABS, но все еще требует медленного охлаждения. Трескание часто происходит при свесах из-за недостаточной поддержки. Используйте медленную скорость печати (30-40 мм / с) и высокую температуру экструзии (250-270 °C в зависимости от типа).

ПЭТГ (полиэтилентерефталат гликол)

ПЭТГ сочетает в себе простоту печати с лучшим ударопрочным сопротивлением, чем ПЛА. Однако он может натягивать и имеет тенденцию сильно прилипать к листам ПЭИ, что может вызвать растрескивание во время удаления деталей. Охлаждение кровати до 80°С перед удалением печати , чтобы избежать теплового удара. ПЭТГ также чувствителен к влаге; высушивайте его при 65°С в течение 4-6 часов, если он кажется хрупким. Используйте более низкую скорость вентилятора (30%) и край для больших деталей. части ПЭТГ могут трескаться при непрерывной нагрузке из-за ползучести - конструкция с более толстыми стенками и избегать острых внутренних углов.

Стратегии предотвращения крекинга

Профилактика требует систематического подхода — начните с материала, затем оптимизируйте настройки печати, дизайн и окружающую среду.

Выбор материалов и обработка

• Выберите нить с хорошей ударной силой для функциональных частей (например, ПЭТГ или нейлон вместо ПЛА).
• Всегда сухие нити, которые гигроскопичны перед использованием. Используйте сушилку накала или пищевой дегидратор, установленный на соответствующую температуру.
• Хранить нить накала в герметичных контейнерах с кремнеземным гелем для высушивания. Мониторинг влажности с помощью карт гидрометра.
• Для композитных нитей (углеродное волокно и т.д.) температура экструзии увеличивается на 5-10°C, чтобы обеспечить правильное течение матрицы.

Оптимизация настроек печати

• Установите температуру насадки в середине диапазона производителя для вашего конкретного материала.
• Настройте температуру кровати достаточно высоко, чтобы обеспечить сцепление первого слоя, не вызывая слоновой ноги.
• Скорость печатания: 40-60 мм/с для PLA, 30-50 мм/с для ABS, 30-40 мм/с для Nylon и PETG.
• Используйте постепенное охлаждение : начните с выключателя для первых 2-5 слоев, затем наберите до 50-70% для PLA, 30-50% для PETG и 0-30% для ABS/Nylon.
• Увеличьте охлаждение деталей, добавив второй вентилятор или более эффективный воздуховод, если свесы плохие, но никогда не охлаждаются быстро на материалах, склонных к усадке.
• Установите заполнение не менее 20% для структурных частей и используйте шаблон с постепенными изменениями (гироид, сотовая связь).

Принципы проектирования моделей

• Добавить филе или шамферы во все внутренние и внешние углы. Радиус 2–3 мм часто бывает достаточно для снижения концентрации напряжения.
• Поддерживайте минимальную толщину стенки 3 периметра (примерно 1,2 мм с 0,4 мм соплом). Для более крупных деталей используйте 4-5 периметров.
• Избегайте резких изменений в поперечном сечении. Переход постепенно от толстых к тонким участкам.
• Включите ребра или гуссеты для усиления длинных неподдерживаемых пролетов.
• Если деталь слишком велика, чтобы поместиться на строительной пластине без деформации, разделите ее на более мелкие секции и присоедините их позже (например, с помощью голубятни или клея).

Экологический контроль

• Используйте вольер для всех материалов, которые значительно усадят (ABS, Nylon, Polycarbonate). Помогает даже импровизированная картонная коробка.
• Держите принтер подальше от окон, вентиляционных отверстий и дверей, избегайте резких перепадов температуры.
• Для PLA в холодном помещении небольшой корпус или нагреватель для помещений, установленный на 25 ° C, может уменьшить растрескивание.
• Обезвоживание помещения, если относительная влажность превышает 60%.

Последующие лучшие практики

• Разрешить напечатанным деталям медленно остыть на строительной плите.Не снимайте их сразу; подождите, пока температура кровати упадет до 30–40°C.
• При удалении опор используйте флеш-резервуары и мягко крутите, а не тяните. Остатки поддержки засыпки могут вводить микротрещины - вместо этого используйте острое лезвие.
• Для сверления или постукивания используйте острые инструменты и низкие скорости, чтобы избежать перегрева пластика. Рассмотрим конструирование в резьбовых вставках.
• Отжиг может снять внутренние напряжения, но может вызвать изменения размеров.Исследуйте конкретный график отжиг для вашего полимера (например, PLA при 60°C в течение 30 минут, а затем медленно охлаждайте).

Устранение неполадок для постоянного стрекоза

Если трещины все же появляются после оптимизации всех вышеперечисленных факторов, рассмотрите эти передовые методы.

Использование альтернативных нитей

Некоторые полимеры по своей природе менее склонны к растрескиванию. Полипропилен (PP) очень гибкий и почти никогда не растрескивается, но его трудно печатать из-за плохой адгезии к кровати. TPU является резиновым и хорошо поглощает удары, хотя для этого требуется экструдер с прямым приводом. Поликарбонат (PC) обладает высокой прочностью и прочностью, но нуждается в высокотемпературном раскате и корпусе. Переход к этим материалам может решить растрескивание в требовательных приложениях.

Отжига для облегчения стресса

Отжиг предполагает нагревание готовой детали до температуры чуть ниже температуры стеклования, а затем медленное охлаждение. Это снижает остаточные напряжения и может увеличить кристалличность, улучшая прочность и сопротивление растрескиванию. Например, отжиг PLA при 60-65 °C в течение 30 минут может увеличить его ударную прочность на 30%. Однако будьте готовы к усадке 0,5-2%. Нейлон и ПЭТГ также хорошо реагируют на отжиг. Всегда сначала тестируйте на запасной части , потому что геометрия может искажаться.

Промоутеры адгезии

Для межслойного растрескивания склеивание может быть улучшено путем применения химических агентов во время печати. Суспензия ABS (ABS растворенная в ацетоне) может быть окрашена на первых нескольких слоях для их плавления. «Лейер адгезионные агенты» , такие как 3D Lac или Magigoo, могут помочь конкретным материалам. Альтернативно, некоторые пользователи сообщают, что использование нагреваемой камеры , установленной на температуру стеклования материала (например, 100°C для ABS), практически устраняет трещины слоя, хотя для этого требуется специализированный принтер.