Что такое водорастворимая нить?

За 25 лет работы инженером-конструктором я наблюдал, как 3D-печать превратилась из чудесного изобретения в незаменимый инструмент. Но с самого начала её преследовала одна проблема: гравитация. Нельзя печатать в воздухе. Чтобы создать… сложные детали При наличии нависающих элементов, мостиков или внутренних полостей принтеру приходится создавать временные подложки — опорную конструкцию, — которые впоследствии демонтируются. Это часто оставляет после себя некрасивые шрамы, портящие ту самую поверхность, которую вы хотели сделать идеальной.

Я никогда не забуду молодого инженера из моей команды, блестящего и умного, который потратил неделю на проектирование сложного медицинского коллектора со сложными внутренними каналами. Это был великолепный проект, который невозможно было изготовить на станке. Он распечатал его, потратил целый день, кропотливо пытаясь удалить внутренние опоры с помощью отмычек и плоскогубцев, и в итоге сломал деталь пополам. Он был в отчаянии.

Я подошёл к его столу, положил на него катушку странной полупрозрачной нити и сказал: «Давайте напечатаем ещё раз. Но на этот раз мы построим каркас из чего-то, что исчезает с помощью волшебного трюка». Этим волшебством стала водорастворимая нить. Это не просто материал; это ключ к новому классу невозможных геометрических фигур.

Краткое руководство: Краткий обзор водорастворимых нитей

Почему нельзя просто использовать обычные опоры?

Чтобы понять, почему растворимые поддержи настолько революционны, необходимо сначала понять трудности, связанные с их альтернативой. Стандартные поддержи печатаются из того же материала, что и сама модель (например, поддержи из PLA для модели из PLA). Они соединены с моделью тонким слоем интерфейса, и после завершения печати их можно отломить вручную или с помощью инструментов.

Это приводит к нескольким проблемам:

• Поверхностное рубцевание: Как бы аккуратно вы их ни снимали, отколовшиеся опоры всегда оставляют небольшие бугорки или пятна на поверхности, к которой они были прикреплены. Это требует шлифовки и последующей обработки, что отнимает много времени и может нарушить точность размеров детали.
• Недоступные опоры: В случае деталей с глубокими внутренними полостями или сложными каналами, таких как коллектор моего инженера, опоры физически невозможно достать и снять.
• Ограничения дизайна: Проектировщикам приходится обходить ограничения разрывных опор, избегая определенных геометрических форм или ориентируя детали неоптимальным образом, что снижает их прочность.

Водорастворимая нить устраняет все эти проблемы. Она служит идеальным временным каркасом, который выполняет свою функцию, а затем исчезает без следа, оставляя после себя только безупречно безупречную деталь, которую вы спроектировали.

Как на самом деле работает водорастворимая нить?

Волшебство этой технологии заключается в материале, называемом Поливиниловый спирт (ПВА). Если вам это знакомо, то это тот же водорастворимый пластик, который используется для изготовления пленки на капсулах для посудомоечных машин и стиральных порошков.

На молекулярном уровне ПВА обладает высокой полярностью, подобно воде. При контакте ПВА с водой молекулы воды сильно притягиваются к молекулам ПВА, окружая их и раздвигая. Нить не плавится, а растворяется, растворяясь в воде, подобно сахару в кофе.

Этот процесс прост, безопасен и может быть реализован в ёмкости с водопроводной водой. Не требуются агрессивные химикаты или специальное оборудование. Сам ПВА бесцветен, не имеет запаха, нетоксичен и биоразлагаем, что делает его экологически чистым выбором.

Однако главное заключается в том, что этот материал должен быть напечатан вместе с основным материалом модели. Для этого требуется 3D-принтер с двумя экструдерамиОдно сопло печатает основную модель (например, из PLA или нейлона), а второе — опоры (из PVA). Принтер плавно переключается между двумя материалами, создавая деталь слой за слоем.

Мы уже установили почему Этот материал очень важен. Но ПВА — не единственный игрок в этой игре. В следующем разделе мы рассмотрим ПВА лицом к лицу со своим главным конкурентом, HIPS, и исследовать комплекс мир материи совместимость, которая определяет, какой из них вы можете — и должны — использовать для своего проекта.

Мы установили, что ПВА — ключ к созданию невероятных геометрических форм, но его магия имеет одно важное ограничение: это низкотемпературный материал. Попытка печатать ПВА вместе с высокотемпературным материалом, таким как АБС, — это всё равно что просить снеговика и паяльную лампу работать вместе в тесной отапливаемой комнате. Это заканчивается плачевным результатом. И вот тут-то на помощь приходит другая половина мира растворимых подложек: УПС.

Что такое HIPS и чем он отличается от PVA?

HIPS означает ударопрочный полистирол. Это распространённый, жёсткий и прочный термопластик. Его часто используют отдельно для печати таких вещей, как электронные корпуса или прототипы продуктов. Это тот же материал, что используется для изготовления стаканчиков для йогурта и внутренней части холодильника. Но у него есть секретная суперспособность: хотя он совершенно невосприимчив к воде, он быстро растворяется в растворителе на основе цитрусовых, называемом d-лимонен.

Это делает HIPS идеальным партнером для высокотемпературных материалов, в частности АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол).

• ПВС растворяется в воде.
• УИПС растворяется в d-лимонене.

Это фундаментальное различие определяет всё остальное. В то время как PVA — идеальная основа для низкотемпературных материалов, таких как PLA и нейлон, HIPS — бесспорный лидер в области поддержки ABS-печати. ​​Они не взаимозаменяемы; это два специализированных инструмента для двух совершенно разные работы.

Какой растворимый носитель подойдет для вашего проекта?

Выбор подходящей растворимой поддержки — это не вопрос предпочтений, а вопрос термосовместимости. Материал поддержки и материал модели должны быть способны без проблем сосуществовать при одинаково высоких температурах внутри принтера.

Я усвоил этот урок на собственном горьком опыте десять лет назад. Мы создавали прототип большой детали автомобильной приборной панели из АБС-пластика. В конструкции были глубокие, сложные вентиляционные отверстия, которые невозможно было очистить с помощью отламывающихся опор. Мой ведущий техник, горя желанием опробовать наш новый двухэкструдерный пресс, загрузил в него АБС-пластик и наш единственный на тот момент водорастворимый вариант — ПВА.

Первые несколько часов прошли нормально. Но по мере увеличения размера печати и достижения нагретым корпусом заданной температуры 90°C, ПВА-нить, находившаяся во втором сопле при температуре более 235°C, начала запекаться. Она карамелизировалась, превратившись в чёрную, похожую на смолу субстанцию. Когда… принтер вызвал его для печати Из-за слоя поддержки сопло полностью засорилось. Печать не удалась, и мы провели следующее утро, мучительно разбирая хотэнд, чтобы очистить его от обгоревшего ПВА.

На следующий день пришла катушка с HIPS. Мы загрузили её, установили температуру для ABS и запустили печать. HIPS прекрасно печатал вместе с ABS, поскольку у них практически одинаковые температурные требования. После печати мы погрузили её в ванну с лимоненом. Днём позже мы извлекли идеальную приборную панель из ABS с чистыми, безупречными вентиляционными отверстиями. Этот урок запечатлелся в моей памяти: Ваш вспомогательный материал должен соответствовать тепловому профилю материала вашей модели.

Лицом к лицу: PVA против HIPS

Два самых важных фактора

При анализе данных два фактора выделяются среди всех остальных:

1. Золотое правило термической совместимости

Вот урок из моей истории с приборной панелью. УПС отлично печатает при 240°C в корпусе, рассчитанном на 100°C. ПВА в таких условиях превратился бы в сгоревшую, засоренную массу. И наоборот, попытка печать PLA (при 210 °C) с подложками из HIPS (при 240 °C) приведет к плохой адгезии слоев и получению слабой, тягучей массы.

• Низкотемпературный модельный материал (ПЛА, нейлон) → Используйте низкотемпературную поддержку (ПВА)
• Высокотемпературный модельный материал (ABS, ASA) → Использовать высокотемпературную поддержку (HIPS)

2. Проблема влажности: ахиллесова пята ПВА

ПВА агрессивно гигроскопический, то есть он впитывает влагу из окружающего воздуха, как губка. Катушка ПВА, оставленная даже на один день во влажной среде, может испортиться. При попадании влажного ПВА в хотэнд вода внутри мгновенно превращается в пар, вызывая хлопки и шипение. Это приводит к слабому, тягучему и ненадёжному результату. экструзия, что неизбежно приводит к засорению сопел и сбоям печати. ​​Для успешной печати ПВА сушилка для филамента или герметичный контейнер для сухого хранения — не просто опция, а обязательное условие. УПС, напротив, гораздо более устойчив к влаге и гораздо более неприхотлив в хранении и использовании.

Но выбор правильного материала — это только полдела. Как проектировать детали, чтобы максимально эффективно использовать эти замечательные материалы, и какие существуют распространённые методы печати? ошибки, которые приведут к чтобы они все равно потерпели неудачу?

Мы выявили принципиальное различие между двумя титанами среди растворимых носителей: водостойким ПВА для наших низкотемпературных материалов, таких как ПЛА, и растворимым в лимонене УПС для высокотемпературных «рабочих лошадок», таких как АБС. Мы знаем, что выбор правильного материала — это непреложный вопрос термосовместимости.

Но наличие подходящего инструмента — это только первый шаг. Мастер с дешёвой стамеской всё равно выполнит работу лучше, чем новичок с лучшим инструментом. То же самое и здесь. Как проектировать детали и управлять станком, чтобы раскрыть истинный потенциал этих удивительных материалов?

Как спроектировать детали, чтобы максимально повысить эффективность растворимой поддержки?

Это мои пять заповедей дизайна для аддитивного Производство (DfAM) при использовании растворимых носителей. Игнорирование их приведёт к потере времени, денег и разочарованию.

Пять заповедей DfAM для растворимых носителей

1. Заповедь первая: Не будь расточительным.
   Растворимый филамент стоит дорого — часто в три-пять раз дороже стандартного PLA. Первая цель любого хорошего дизайна — минимизировать его использование. Прежде чем думать о подставках, сориентируйте модель в слайсере, чтобы посмотреть, можно ли уменьшить или полностью устранить большие нависания. Иногда простой наклон на 45 градусов может сократить использование поддержек вдвое. Используйте растворимые подставки как хирургический инструмент для создания действительно «невозможных» деталей, а не как грубую опору для плохо ориентированной детали.
2. Заповедь II: Ты должен создать пути для растворения.
   Это ошибка, которую я вижу чаще всего. Дизайнер создаёт деталь с большой, полностью закрытой внутренней полостью, требующей поддержки. Принтер отлично справляется со своей задачей, но когда деталь помещают в растворяющую ванну, ничего не происходит. Почему? Растворитель (вода или лимонен) не может… in, и растворенный материал не имеет возможности попасть внешний. При проектировании всегда предусматривайте небольшие «дренажные отверстия» или каналы, позволяющие растворителю свободно поступать во внутренние области и выходить из них.
3. Заповедь III: Используй «поддерживающий кров».
   Поверхность детали, которая опирается на материал поддержки, часто оказывается самой некрасивой. Она может быть шероховатой или провисшей. Чтобы исправить это, в большинстве современных слайсеров есть настройка «Крыша поддержки» или «Интерфейсный слой». Она создаёт плотную, гладкую платформу из материала поддержки для печати первого слоя модели. В результате качество печати значительно улучшается. отделка поверхности нижней стороны ваших деталей. Он использует немного больше вспомогательного материала, но улучшение качества почти всегда того стоит.
4. Заповедь IV: Соединяй части.
   Вся суть растворимых опор — создание сложных геометрических форм, которые невозможно реализовать другими методами. Так что используйте эту силу! Вместо того, чтобы разрабатывать сборка из пяти простых деталей Можно ли объединить детали, которые необходимо скрепить винтами или склеить, в одну, более сложную деталь? Это сокращает время сборки, устраняет потенциальные точки отказа и позволяет получить более прочный и лёгкий конечный продукт.
5. Заповедь V: Уважай интерфейс.
   Небольшой зазор между верхней частью опорной конструкции и нижней частью модели имеет решающее значение. В слайсере это называется «Z-расстоянием». Для растворимых опор его можно установить равным нулю. Это создаёт гораздо более чистую и точную опорную поверхность. Однако иногда это может привести к слишком хорошему сцеплению материала опоры. Небольшой зазор (например, 0.1 мм) может облегчить разделение, если у вас возникли проблемы, но для достижения наилучшего качества всегда начинайте с нулевого зазора.

Каковы наиболее распространенные (и дорогостоящие) ошибки при печати?

Даже при идеальном дизайне простая ошибка в типографии может всё испортить. Вот пять смертных грехов печати с растворимыми подложками.

1. Грех мокрой нити (особенно ПВА).
   Это смертный грех. Как мы уже говорили, ПВА чрезвычайно гигроскопичен. Печать влажным ПВА — гарантированный путь к провалу. Вы услышите хлопки и шипение из сопла, когда вода внутри превращается в пар, что приводит к слабому, пенистому выдавливанию и неизбежным засорам. Сушилка для филамента или герметичный сухой бокс с осушителем не являются опциональными для ПВА; это обязательная часть оборудования.
2. Грех неправильных настроек интерфейса.
   Это относится к нашим принципам дизайна. Если настройки слайсера неправильные, результаты будут неудовлетворительными. Слишком большой зазор между подложкой и моделью приведёт к провисанию первого слоя модели, что приведёт к образованию волокнистой, некрасивой поверхности. Слишком малый зазор (или неправильные настройки температуры) может привести к сплавлению двух материалов, что затруднит их разделение даже после растворения.
3. Грех плохо откалиброванного второго сопла.
   Двухэкструзионный принтер должен быть идеально откалиброван. Даже небольшое смещение второго сопла по осям X, Y или Z приведет к смещению опор. Неровное сопло может сбить отпечаток с платформы, а слишком высокое сопло будет печатать в воздухе, создавая бесполезную опорную конструкцию.
4. Грех использования «жадной» структуры поддержки.
   Не просто нажмите кнопку «Создать опоры» и отойдите. Посмотрите на структуру, созданную вашим слайсером. Плотная сетчатая структура опор требует много материала и может растворяться очень медленно. «Древовидная» или «органическая» структура опор часто требует гораздо меньше материала и создаёт больше открытых каналов, позволяя растворителю действовать гораздо быстрее.
5. Грех нетерпения.
   Растворение занимает время. Бросить большой отпечаток в ведро с холодной, негазированной водой и ожидать, что он будет готов через час, нереально. Чтобы ускорить процесс растворения ПВА, используйте тёплую (не горячую!) воду и перемешивайте. Магнитная мешалка или даже простой аквариумный насос могут сократить время растворения более чем вдвое. Для HIPS обеспечьте хорошую циркуляцию в ванне с лимоненом. Дайте растворителю время, чтобы он подействовал должным образом.

Заключение: правильный инструмент, используемый правильно

Водорастворимые филаменты — это не просто ещё один материал; это ключ, открывающий новый уровень свободы дизайна в 3D-печати. ​​Они позволяют нам выйти за рамки простых ограничений, связанных с выступами, и создавать детали той же сложности, что и в природе, и в высокотехнологичных производственных процессах, таких как литье под давлением.

Но эта сила требует уважения. Она требует понимания того, что существуют две различные системы: Система ПВС/Вода для низкотемпературных материалов и Система HIPS/Limonene для высокотемпературных материалов. Для этого нам необходимо, чтобы наши материалы были сухими, наши машины — откалиброванными, а наши проекты — интеллектуальными.

Соблюдая эти правила, вы превратите растворимые поддержки из источника разочарований и неудачных отпечатков в самый мощный инструмент в вашем арсенале 3D-печати, позволяющий воплощать невозможные идеи в физическую реальность.

Часто задаваемые вопросы (FAQ):

1. Почему нить ПВА такая дорогая?
ПВА значительно дороже стандартного нити типа PLA По нескольким причинам. Производство исходного сырья, поливинилового спирта, обходится дороже, чем производство полимолочной кислоты, используемой для ПЛА. Процесс производства филамента ПВА также сложнее и требует более строгих требований. контроле, особенно в отношении стабильности диаметра и содержания влаги. Наконец, это специализированный материал с меньшим спросом, чем PLA, поэтому экономия за счёт масштаба не столь значительна.

2. Можно ли использовать ПВА или УИПС в качестве самостоятельного модельного материала?
Пока вы Печатные объекты, полностью изготовленные из HIPS (прочного материала, похожего на ABS), обычно не используют ПВА. ПВА механически ненадёжен и, что ещё важнее, настолько гигроскопичен, что готовая деталь со временем деградирует и размягчается, просто впитывая влагу из воздуха, что делает его непригодным для изготовления функциональных деталей.

3. Какая нить впитывает больше всего воды?
Из всех распространенных нитей для 3D-печати, ПВА на сегодняшний день является наиболее гигроскопичным, поскольку он буквально растворяется в воде. Как и ПВА, нейлон также чрезвычайно гигроскопичен и требует тщательной сушки и хранения для успешной печати.

4. Как утилизировать d-лимонен после растворения УИПС?
Никогда не сливайте использованный d-лимонен в канализацию. Это промышленный растворитель, который должен утилизироваться в соответствии с местными правилами утилизации химических отходов. Однако d-лимонен можно отфильтровать и использовать повторно. После растворения отпечатка оставьте раствор на сутки, чтобы частицы пластика осели на дно. Затем аккуратно слейте раствор лимонена сверху и используйте его снова.

5. В чем разница между PLA и PVA?
ПЛА (полимолочная кислота) — стандартный, жёсткий и биоразлагаемый термопластик, используемый в качестве основного материала для моделей. ПВА (поливиниловый спирт) — мягкий, гибкий полимер, растворимый в воде и используемый почти исключительно в качестве материала-подложки. У них разные температуры печати и существенно различающиеся физические свойства.

Референсы

1. MatterHackers. (nd). Как добиться успеха с поддержкой PVA. Руководство по поддержке MatterHackers
2. Ultimaker. (2022). Ultimaker PVA: надежное решение для двойной экструзии. Страница материалов Ultimaker
3. Полимейкер. (nd). PolyDissolve™ S1 – Технический паспорт. Полимейкер TDS
4. Раут, С. и Джатти, В.К.С. (2021). 3D-печать полимолочной кислоты (PLA) и её влияние на механические и термические свойства. Физический журнал: серия конференций, 1950, 012061. IOPнаука

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