Можно ли использовать АБС для 3D-печати?

Рабочая лошадка и деформация: руководство инженера по укрощению ABS

В мире 3D-печати есть материал, с которым у меня сложились глубокие и сложные отношения. Это один из первопроходцев, титан отрасли, опередивший революцию в мире настольных моделей на десятилетия. Это пластик, из которого сделаны кубики LEGO — прочный, долговечный и способный выдержать годы эксплуатации. Я говорю об акрилонитрилбутадиенстироле, или, как мы все его знаем, ABS.

Меня зовут Клайв, и вот уже более 25 лет я занимаюсь дизайном и производство деталейЯ работал с АБС-пластиком в промышленном литье под давлением задолго до того, как увидел настольный 3D-принтер. Когда впервые появился метод послойного наплавления (FDM), АБС был основным материалом. материала. Именно это сделало 3D-печать жизнеспособным инструментом для создания настоящих, функциональных инженерных прототипов, а не просто хрупких безделушек.

Но по мере того, как принтеры становились дешевле, а PLA — биоразлагаемый полимер, которым легко печатать, — набирал популярность, ABS приобрел репутацию сложного, экспертного материала. Он трескается, расслаивается и отслаивается от рабочей платформы, образуя неприятную, похожую на спагетти массу, известную как коробление.

Итак, вопрос не просто в том, можно ли печатать ABS на 3D-принтере. Ответ на него — однозначное «да». Настоящие вопросы таковы: это вы делаете это успешно, и почему Будете ли вы вообще беспокоиться, если существуют более простые материалы?

Короткий ответ: краткое справочное руководство

Для тех, кому нужно краткое содержание, прежде чем мы нырнуть глубоко, вот прямые ответы на самые насущные вопросы.

Эта таблица — наша карта. Теперь давайте исследуем территорию. Мы разберёмся, что такое ABS на самом деле, почему его свойства делают его одновременно героем и злодеем, и когда он — единственный инструмент для решения задачи.

Что такое ABS на самом деле? Сила трёх

В отличие от PLA, который представляет собой простой полиэстер, ABS — это терполимер. Это замысловатый способ сказать, что это изготовлено путем полимеризации Три разных мономера. Понимание этих трёх ингредиентов – это ключ к пониманию материала поведение.

• Акрилонитрил: Этот компонент - стоик инженер группы. Он обеспечивает термостойкость и химическую стойкость. Если ваша деталь из АБС-пластика устойчива к воздействию масел или тепла, то за это стоит поблагодарить акрилонитрил.
• Бутадиен: Это настоящий драчун, настоящий крепыш. Бутадиен — синтетический каучук. Именно его присутствие в полимерной цепи обеспечивает ABS-пластику его легендарную прочность и ударопрочность. При падении деталь из ABS-пластика не разбивается, как хрупкий PLA-пластик, а изгибается и поглощает удар. Это «резиновый» компонент.
• Стирол: Вот это художник. Стирол придаёт АБС жёсткость, красивую глянцевую поверхность и облегчает его обработку (в промышленных условиях). К сожалению, он также является источником характерного запаха «горячего пластика» и летучих органических соединений (ЛОС), которые представляют серьёзную проблему при печати.

Вместе эти три создают фантастическое, недорогое и универсальное решение. инженерный пластик. Именно поэтому кубики LEGO можно собирать и разбирать тысячи раз, не ломаясь, и они могут пролежать на жарком чердаке в течение десятилетия.

Великий разрыв: инженерные обещания против печатной реальности

Основная проблема печати ABS-пластиком заключается в одном неизбежном физическом свойстве: тепловое сжатие.

Обещание: почему инженерам это нравится

На бумаге ABS — практически идеальный материал для функциональных прототипов. Он дёшев. Он значительно прочнее PLA. Его температура стеклования (температура начала размягчения) составляет около 100 °C, в то время как PLA становится мягким при температуре около 60 °C. Это означает, что деталь из ABS можно использовать под капотом автомобиля или в качестве корпуса для нагретой электроники — там, где PLA быстро деформируется, превращаясь в липкую массу.

Кроме того, он прекрасно поддаётся постобработке. Шлифовка, грунтовка и покраска работают великолепно. Но его секретное оружие — растворимость в ацетоне. Кратковременное воздействие паров ацетона на отпечаток из ABS расплавляет внешнюю поверхность, полностью стирая границы слоёв и создавая глянцевую, гладкую поверхность, которая выглядит так же, как и деталь, изготовленная методом литья под давлением.

Реальность: почему любители этого боятся

При экструзии АБС-пластика из сопла, нагретого до 250 °C, он находится в горячем, расширенном, расплавленном состоянии. Охлаждаясь до температуры стола (~100 °C), а затем до комнатной температуры, он сжимается. Причём сжимается гораздо сильнее, чем ПЛА.

Эта усадка является корнем всех зол при печати с использованием АБС.

• Коробление: Если первый слой модели остынет слишком быстро, он сожмётся и втянется внутрь. Эта сила настолько велика, что может физически оторвать углы модели от платформы, что испортит её.
• Расслоение (растрескивание): Если верхние слои модели остывают быстрее, чем слои, расположенные ниже (например, из-за холодного сквозняка в помещении), напряжение от неравномерной усадки может привести к разделению слоев, что приведет к появлению больших, заметных трещин по бокам отпечатка.

Чтобы бороться с этим, необходимо контролировать температуру во всей печатной среде, поддерживая деталь как можно дольше в тепле, чтобы она остывала медленно и равномерно.

Пример №1: Крепление для автомобильной камеры

Молодой Инженер в моей команде проектировал индивидуальный Крепление для камеры GoPro на приборной панели автомобиля во время поездки. Будучи новичком в 3D-печати, он напечатал его из PLA, потому что это было просто, а результат получился просто потрясающим.

Он установил его, и он работал идеально. Два часа.

В солнечный день он припарковал машину, чтобы пообедать. Вернувшись, он обнаружил, что его GoPro лежит на полу, а крепление провисло и деформировалось, как картина Сальвадора Дали. Температура в салоне автомобиля превысила 60°C (140°F), что значительно превышает температуру стеклования полилактида (PLA).

Он пришёл ко мне, побеждённый. Я попросил его немного переделать деталь, добавив скругления и уменьшив концентрацию напряжений в углах, и мы напечатали её из чёрного АБС-пластика. Печать оказалась сложнее: пришлось использовать мой принтер из комплекта поставки, разогретую до 110°C, и широкий край, чтобы закрепить деталь. Но… заключительная часть Удалось. Он пережил два жарких лета на приборной панели без малейших признаков деформации.

В этом и заключается суть АБС: это решение проблем, когда окружающая среда слишком агрессивна для менее прочных пластиков.

Теперь, когда мы понимаем фундаментальную природу ABS — её сильные и слабые стороны, а также её главного врага, — мы готовы к главному событию. В следующем разделе мы рассмотрим ABS лицом к лицу со своими главными соперниками, PLA и PETGи разберем достоверные данные, чтобы точно показать вам, когда следует выбирать каждый из них.

ABS против PLA против PETG

Выбор филамента для 3D-печати подобен выбору автомобиля. Вы бы не поехали на стройку на семейном седане (из пластика PLA) и не стали бы использовать тяжёлый грузовик (из пластика ABS) для быстрой поездки за продуктами, если бы у вас был выбор. А иногда вам просто нужен универсальный кроссовер (из пластика PETG), который хорошо справляется со всем сразу.

Годами мой магазин был заполнен этими тремя материалами. У каждого есть полка, определённый набор процедур сушки и список подходящих для него задач. Их прямое сравнение — это не поиск «победителя», а понимание конкретных инженерных компромиссов, на которые приходится идти при загрузке катушки в принтер.

Претенденты

Мы уже познакомились с нашим главным объектом, жестким и темпераментным ABS. Теперь давайте официально представим его основных конкурентов.

• PLA (полимолочная кислота): Это бесспорный король любительской 3D-печати. ​​Это биоразлагаемый термопластик, получаемый из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал. Он печатается при низких температурах, практически не деформируется и не выделяет вредных испарений. Он жёсткий и прочный, но при этом очень хрупкий — ломается, а не гнётся. Это семейный седан: простой в управлении, надёжный для повседневных задач, но не предназначенный для суровых условий.
• ПЕТГ (Полиэтилентерефталатгликоль (ПЭТГ) – это фантастический материал среднего уровняЭто модифицированная версия того же ПЭТ-пластика, который используется для производства бутылок для воды. Он обладает лучшей термостойкостью и прочностью, чем PLA, им гораздо легче печатать, чем ABS, и его часто ценят за безопасность для пищевых продуктов. Это кроссовер-внедорожник: более производительный и прочный, чем седан, но без полноценных промышленных характеристик (или проблем) грузовика.

Сравнительная таблица: в цифрах

Технические характеристики не раскрывают всей картины, но это единственная отправная точка. Я составил эту таблицу не только на основе спецификаций производителя, но и на основе собственных многолетних испытаний и наблюдений.

Вердикт реального мира: за пределами спецификации

Теперь давайте переведем эти цифры в реальные показатели.

Раунд 1: Сила и жесткость – неожиданная ничья

Глядя на таблицу, многие удивляются, узнав, что PLA обладает более высокой прочностью на разрыв и жёсткостью, чем ABS. Они предполагают, что «более прочный» инженерный материал Должен победить по всем показателям. Но это классический урок инженерии: «прочность» — это не просто величина. ПЛА прочнее при прямом растяжении и жёстче, а значит, лучше сопротивляется изгибу. Однако эта жёсткость достигается ценой невероятной хрупкости. Он не обладает «податливостью».

Победитель: PLA, но только в том случае, если деталь никогда не будет подвергаться ударам, толчкам или изгибам.

Раунд 2: Прочность и температура – ​​Нокаут ABS

Именно здесь ABS оправдывает свою цену. Содержание бутадиена (каучука) обеспечивает ему фантастическую прочность. Если вам нужна деталь с защёлками, которая будет использоваться многократно, или корпус, который может упасть, ABS — ваш лучший выбор. Защёлки из PLA прослужат несколько раз, прежде чем устанут и легко сломаются. Защёлки из ABS гнутся и выдерживают сотни циклов.

И наконец, температура. Температура стеклования около 100°C — главная причина, по которой АБС-пластик до сих пор доминирует в машиностроении. тематическое исследование Крепление автомобильной камеры — прекрасный пример. Любая деталь, которая находится рядом с двигателем, содержит электронику или подвергается воздействию солнца, нуждается в термостойкости АБС.

Победитель: ABS, и это даже не близкий бой.

Раунд 3: Печатность и испарения – PLA Easy Win

Без преувеличения: печать ABS-пластиком может стать настоящим испытанием, если вы не подготовлены. Для неё требуется контролируемая среда. Без защитного кожуха сквозняки лишь усугубят растрескивание отпечатка. Выделяющиеся пары также требуют хорошей вентиляции и установки системы фильтрации. PLA-пластик, напротив, — одно удовольствие. Он прилипает практически к любой поверхности, не деформируется и может без проблем печататься на принтере, установленном на открытом воздухе в гостевой спальне.

Победитель: PLA. Именно поэтому это выбор по умолчанию для новичков.

Раунд 4: Постобработка и финишная обработка — секретное оружие ABS

Для создания деталей, которые выглядят по-настоящему профессионально и «законченно», ABS-пластик не имеет себе равных. Возможность использования паров ацетона для Полностью удалить линии слоев — это то, чего нет ни в одной другой обычной нити может предложить. Этот процесс не только улучшает внешний вид детали, но и повышает её прочность, ещё надёжнее соединяя слои.

Победитель: ABS.

Пример №2: Корпус промышленного датчика

Клиент обратился к нам с прототипом нового промышленного датчика. Корпус должен был быть оснащен несколькими прочными защелкивающимися зажимами, чтобы технические специалисты могли обслуживать его в полевых условиях без инструментов. Кроме того, в корпусе размещалась печатная плата, которая умеренно нагревалась во время работы, достигая внутренней температуры 75 °C.

Команда заказчика уже напечатала из PLA-пластика великолепный прототип. Он провалился в первый же день тестирования. Когда техник попытался его открыть, две из четырёх защёлок-защёлок отломились напрочь. После трёх часов непрерывной работы на испытательном стенде корпус начал заметно провисать вокруг процессора.

Они были готовы отказаться от 3D-печати и заплатить десятки тысяч за прототип Литьевая пресс-формаЯ остановил их. Мы взяли их точно файл и распечатанный Он сделан из АБС-пластика. Нам пришлось использовать материал для поддержки, чтобы сделать выступы для зажимов чистыми, и Печать заняла 14 часов в нашем промышленном закрытом принтере.

Результат? Он был идеален. Клипсы можно было открывать и закрывать десятки раз с приятным ощущением. нажмите на, гнущегося, но не ломающегося. Мы прогнали датчик 48 часов подряд, и корпус оказался абсолютно надёжным. Этот прототип ABS позволил им провести месяц полевых испытаний и обнаружить ещё три конструктивных недостатка, прежде чем они потратили хоть копейку на дорогостоящее оборудование. Вот в чём сила ABS.

Теперь мы знаем почему Как выбрать ABS и где она доминирует. Но одно дело знать, что вам нужен рабочий грузовик, а другое — знать, как им управлять. Как же на самом деле обуздать этот материал и избежать коробления и трещин, которые так многих раздражают?

Правила дизайна и печати для укрощения АБС

Легко понять, что ABS — это идеальный «рабочий грузовик» для вашей работы. Сложнее всего научиться ездить на нём, не попадая в аварии. Для каждой красивой и функциональной ABS часть, которая отрывается от одной из наших машин, в мусорном ведре остался призрак неудачного отпечатка, который послужил нам уроком.

Коробление, расслоение слоёв, трещины — это не случайные акты жестокости богов 3D-печати. ​​Это предсказуемые физические явления. АБС-пластик усаживается при охлаждении, и эта усадка создаёт огромное внутреннее напряжение. Вся ваша задача при печати АБС — контролировать это напряжение. Сделав всё правильно, вы получите деталь, столь же прочную, как и литой аналог. Ошибётесь — и получите деформированный, треснувший, непригодный к использованию кусок пластика.

Этот раздел — моя инструкция, отточенная за два десятилетия, как всё сделать правильно. Это не советы, а заповеди, по которым мы живём.

Пять заповедей печати ABS

Если вы будете неукоснительно следовать этим пяти правилам, вы исключите 95% всех ошибок при печати на ABS-пластике.

Заповедь 1: Используй ограждение

Это самое главное правило. Печать ABS без обогреваемой или хотя бы полностью закрытой камеры построения — бесполезное занятие. Задача корпуса — удерживать тепло от печатного стола, создавая стабильную повышенную температуру вокруг детали. Это значительно снижает температурный градиент — разницу температур между свежеэкструдированным пластиком и окружающим воздухом. Меньший градиент означает меньшую усадку, меньшие напряжения и деформацию.

Даже простая картонная коробка или пластиковый контейнер, надетый на принтер, в сто раз лучше, чем ничего. промышленные машиныМы поддерживаем активную температуру в камере около 80–90 °C. Для настольного компьютера даже 40–50 °C — это уже очень важно.

Заповедь 2: Ты должен овладеть прилипанием к постели

Поскольку силы деформации очень велики, первостепенное значение имеет приклеивание первого слоя и сохранение его прочности. Подогрев стола — не опция, а обязательное условие.

• Температура кровати: Обычно мы нагреваем наши стенды до температуры 100–110 °C. Это поддерживает температуру нижней части детали выше температуры стеклования, предотвращая её усадку и отрыв от стенда.
• Поверхность кровати: Стекло — ужасная поверхность для АБС-пластика. Листы ПЭИ (полиэфиримида), особенно текстурированные, отлично подходят. Каптоновая лента — классический и надёжный вариант.
• Средства для адгезии: «Поле» — ваш лучший друг. Это однослойное расширение опорной поверхности детали, подобное полям шляпы, которое значительно увеличивает площадь поверхности, удерживающей деталь. Для особо прочных деталей можно использовать «суспензию» из небольшого количества АБС-пластика, растворенного в ацетоне и нанесённого тонким слоем на стол, что создаёт идеальную химическую связь.

Заповедь 3: Держи нить твою сухой

Хотя ABS не так гигроскопичен, как PETG или нейлон, он полностью впитывает влагу из воздуха. Влажный филамент — тихий убийца качественных отпечатков. Когда влажный филамент попадает на горячее сопло, вода внутри мгновенно закипает, превращаясь в пар, создавая крошечные пузырьки в экструдированном пластике. Это приводит к получению непрочной, тягучей и неточной детали с плохим качеством. чистота поверхности. Мы сушим каждую катушку АБС-пластика в специальной сушилке для нитей не менее 4 часов при температуре ~65 °C, прежде чем поднести ее к принтеру.

Заповедь 4: Проветривай рабочее место

Буква «B» в аббревиатуре ABS означает бутадиен, мономер на основе стирола. При плавлении ABS выделяется стирол, который имеет характерный неприятный запах пластика и является известным летучим органическим соединением (ЛОС). Хотя концентрация паров от одного принтера невелика, не следует вдыхать их в замкнутом пространстве часами подряд. Принтер должен находиться в хорошо проветриваемом помещении, а ещё лучше – иметь выход наружу или систему угольных/HEPA-фильтров, например, «BentoBox» или «Nevermore».

Заповедь 5: Отключи вентилятор охлаждения части твоей

Это кажется нелогичным тем, кто начинает работать с PLA, где вентилятор охлаждения детали всегда работает на 100%. Для ABS вентилятор охлаждения детали — ваш враг. Помните первую заповедь? Наша цель — поддерживать деталь максимально горячей как можно дольше, чтобы избежать перегрузки. Обдув детали холодным воздухом от вентилятора — это как впустить сквозняк прямо в закрытую камеру. Мы полностью выключаем вентилятор или, в крайнем случае, включаем его на едва заметных 10–15% только для больших свесов или мостов.

Пять самых распространенных и дорогостоящих ошибок проектирования (DfAM для ABS)

Помимо самого процесса печати, то, как вы проектируете свою деталь, может либо обеспечить вам успех, либо гарантировать провал. Вот лучшие DfAM (Design for) Производство добавок) ошибки, которые я вижу.

1. Массивные, сплошные нижние слои: Чем больше сплошная плоская поверхность на печатной платформе, тем больше кумулятивная сила, которая пытается её оторвать при остывании. Если ваш дизайн представляет собой большой сплошной прямоугольник, углы испытывают огромную нагрузку. Попробуйте вырезать большие сплошные области или использовать сотовое заполнение, начиная с первого слоя, чтобы снизить эту нагрузку.
2. Острые углы в 90 градусов: Внутренние напряжения склонны концентрироваться на острых углах, поэтому трещины почти всегда возникают именно там. Добавление небольшого скругления (закруглённой кромки) ко всем острым вертикальным и горизонтальным углам, особенно в нижней части детали, распределяет это напряжение по большей площади и может стать тем самым фактором, который отличает цельную деталь от треснувшей.
3. Игнорирование Ориентация печати: FDM Распечатанная деталь анизотропна: между слоями она значительно слабее, чем вдоль них. Если вы проектируете скрепку или крючок, которые будут подвергаться изгибу, и печатаете их стоя, напряжение будет действовать непосредственно на самую слабую часть печати — линии слоёв. Необходимо ориентировать деталь так, чтобы слои располагались параллельно самой длинной оси любого критического элемента.
4. Нереалистичные выступы: Хотя АБС-пластик хорошо перекрывает щели благодаря своей высокой вязкости, он всё же пластичен, а не обладает магическими свойствами. Любая поверхность с углом наклона более 45-50 градусов к вертикали потребует опорного материала. Проектирование деталей со встроенными фасками (уголами 45 градусов) вместо скруглений на обращённых вниз поверхностях часто позволяет полностью исключить необходимость в опорах.
5. Забывание о компенсации усадки: ABS усаживается примерно на 0.5–0.8% при охлаждении. Это может показаться незначительным, но для детали диаметром 200 мм это означает погрешность размеров до 1.6 мм! При проектировании деталей с прессовой посадкой или компонентов, которые должны сопрягаться друг с другом, это необходимо учитывать. Мы часто увеличиваем размеры деталей в 1.007 раза в слайсере, чтобы компенсировать эту усадку и достичь желаемых размеров.

Окончательный вердикт

Итак, можно ли использовать ABS для 3D-печати? Ответ однозначен. Да, но с решающей звездочкой: если и только если вы готовы уважать этот процесс.

ABS — это не материал, готовый к использованию, как PLA. Это полимер профессионального уровня, требующий профессионального рабочего процесса. Вам потребуется подходящее оборудование (корпус), правильное управление процессом (управление теплом, сухая нить) и правильное дизайнерское мышление (DfAM).

Но награда огромна. Вы получаете возможность создавать по-настоящему функциональные, прочные и термостойкие детали, которые могут служить конечными компонентами, функциональными прототипами и технологическими средствами. Вы открываете для себя возможности ацетонового выравнивания, позволяя создавать детали с качеством, не уступающим литье под давлением.

Это сложный материал, но его освоение определённо стоит усилий. В моём производственном цехе PLA используется для безделушек и контрольных образцов. Когда нам нужно изготовить настоящую деталь, которая будет выполнять реальные функции, мы запускаем прилагаемые принтеры и загружаем сухую катушку ABS.

Референсы

• Данные таблицы свойств нитей: Компиляция данных из нескольких источников, включая Ultimaker Паспорта материалов, (Й). Материалы. Ультимейкер. https://ultimaker.com/materials/
• Коэффициенты усадки АБС: СпецХим. (2023). Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС) Пластик. https://omnexus.specialchem.com/selection-guide/acrylonitrile-butadiene-styrene-abs-plastic
• Гигроскопичность нитей: MatterHackers. (nd). Руководство по сравнению нитей. https://www.matterhackers.com/filament-comparison-guide
• Принципы DfAM: VDI 3405 Часть 3: Проектирование для Производство добавок. (2019). Beuth Verlag GmbH. https://www.beuth.de/en/standard/vdi-3405-blatt-3/310933480

Условия использования

Информация на этой странице предназначена только для информационных целей. RM Компания не предоставляет никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности или полноты данной информации. Для любых услуг третьих лиц, приобретённых через RM сеть, покупатель несет ответственность за указание и подтверждение параметров производительности, допусков, материалыи качество работы в процессе составления сметы. Для получения более подробной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами.o Свяжитесь с нами.

RM: Ваш партнер в области точного производства

RM является лидером отрасли в индивидуальные производственные решения. Обладая более чем 20-летним богатым опытом, мы стали надежным партнером для более чем 5,000 клиентов по всему миру. Мы специализируемся на широком спектре производственных услуг, включая высокоточную обработку. CNC-обработка, изготовление листового металла, 3D печать, литье под давлением и металлическое тиснение— чтобы предоставить вам истинную опыт комплексного обслуживания.

Наше предприятие мирового класса оснащено более чем 100 современными Обработка по оси 5 центры и работают в строгом соответствии с ISO 9001:2015 Система контроля качестваМы стремимся предоставлять решения, сочетающие в себе скорость, эффективность и исключительное качество, клиентам в более чем 150 странах. Быстрое прототипирование до крупномасштабного производства мы гарантируем доставку в течение 24 часов, помогая вам получить конкурентное преимущество на рынке. Выбор РМ означает выбор эффективного, надежного и профессионального производственного партнера.

Ознакомьтесь с нашими возможностями уже сегодня, посетив наш веб-сайт: www.rapmaf.com