Филаменты FDM на биооснове

Послойное наплавление выдавливает расплавленную нить полимера и укладывает её дорожками. Свойства детали происходят от того, как связаны эти дорожки, не в меньшей мере, чем от самого полимера.

Сцепление слоёв — это взаимодиффузия цепей#

Когда горячая дорожка ложится на ранее уложенную, две поверхности сплавляются лишь в том случае, если цепи полимера диффундируют через границу и запутываются. Для этого граница должна находиться выше температуры стеклования — а для полукристаллического полимера вблизи расплава — достаточно долго, чтобы цепи успели перейти рептацией.

Конкурирующий процесс — охлаждение, и оно быстро: тонкая дорожка на открытом воздухе теряет тепло за доли секунды. Поэтому сварка всегда неполна, и прочность в направлении построения ниже, чем внутри слоя. Анизотропия присуща самому процессу, а не есть дефект настройки, и потому характеристики напечатанной детали нельзя списать из паспорта на сырьё.

Всё, что помогает, — нагретая камера, более высокая температура сопла, более тонкие слои, более медленная печать — работает через продление времени, в течение которого граница остаётся достаточно горячей для диффузии.

Почему ПЛА стал выбором по умолчанию и где он кончается#

ПЛА господствует по причинам, все из которых термические и реологические. Вязкость его расплава низка, а диапазон плавления умерен, поэтому он легко выдавливается при доступных температурах сопла. Коэффициент теплового расширения у него мал, и кристаллизуется он медленно, поэтому напечатанная деталь в основном аморфна и при остывании даёт малую усадку. Коробление и отрыв от стола — вид отказа, преобладающий у быстрее кристаллизующихся полимеров, — здесь минимальны.

Платой становится теплостойкость. Температура стеклования ПЛА составляет примерно 55–60 °C; выше неё аморфный полимер размягчается, деталь теряет жёсткость и ползёт под собственной нагрузкой. Салон автомобиля летом это превышает. Посудомоечная машина тоже.

Это число должно быть знакомо. Это та же температура стеклования, из-за которой ПЛА компостируется при 58 °C и не компостируется в почве или в море, о чём сказано в статье биополимеры и биопластики. Одно свойство материала объясняет и поведение при печати, и предел эксплуатации, и судьбу в конце жизни — и значит, улучшить его в одном месте, не сдвинув в остальных, нельзя.

Отжиг поднимает температуру размягчения под нагрузкой, позволяя ПЛА кристаллизоваться после печати, поскольку кристаллиты сохраняются выше температуры стеклования. Размен здесь настоящий: деталь при кристаллизации садится и коробится, точность размеров страдает. Зародышеобразователи и марки ПЛА с бо́льшим или меньшим содержанием D-лактида применяют, чтобы намеренно сдвинуть поведение при кристаллизации.

Влага — задача химическая, а не косметическая#

Бо́льшая часть интересных филаментов на биооснове — ПЛА, ПГА, биополиамиды, ПЭТГ — суть сложные полиэфиры или полиамиды, и остовы их гидролизуемы.

При комнатной температуре это идёт достаточно медленно, чтобы пренебречь. При температуре расплава — нет. Поглощённая филаментом вода гидролизует цепь прямо при экструзии, срезая молекулярную массу, а меньшая молекулярная масса означает меньше зацеплений и более слабую, более хрупкую деталь. Та же вода вскипает в сопле, давая щелчки, паутину и шероховатую поверхность — видимый симптом.

У видимого дефекта и у невидимого причина одна, но сушка исправляет лишь ту часть, которая ещё не случилась: уже произошедший разрыв цепей необратим. Поэтому филамент перед печатью сушат и хранят с осушителем, и это требование материала, а не предпочтение.

Наполненные волокном биокомпозитные филаменты — древесная мука, конопля, лён в матрице ПЛА — меняют картину ещё в одном отношении: наполнитель сам гигроскопичен и держит воды намного больше, чем полимер, а вдобавок истирает латунные сопла, отчего закалённые сопла стали нормой.