Optymalne warunki przechowywania filamentów i metody suszenia

Optymalne warunki przechowywania filamentów i porównanie metod suszenia

Higroskopijność, czyli skłonność ciała stałego do wchłaniania wilgoci, jest wielkim wrogiem druku 3D, ponieważ jest charakterystyczną cechą prawie wszystkich materiałów termoplastycznych. Nawet niewielki procent wilgoci może negatywnie wpłynąć na większość włókien, a tym samym na końcowy rezultat zadania drukowania. W tym artykule opisano szkodliwy wpływ wilgoci na polimery i porównano tradycyjne metody suszenia filamentów do drukowania 3D ze skutecznością BCN3D Smart Cabinet.

Woda jest jednym z najważniejszych składników atmosfery, w zależności od czynników geograficznych i pogody może stanowić nawet 2% objętości powietrza, którym oddychamy. Większość materiałów polimerowych oddziałuje z wodą wchłaniając ją, niezależnie od jej fizycznej postaci. Dlatego surowe materiały termoplastyczne są zwykle poddawane tak zwanej fazie odwadniania, gdy są poddawane obróbce w wysokiej temperaturze przed użyciem, aby zapewnić, że nie pozostanie woda w postaci pęcherzyków. Te pęcherzyki wody pozostałyby uwięzione w matrycy polimerowej i generowałyby miejscowe niedoskonałości, które są szkodliwe dla właściwości estetycznych i mechanicznych wykonanego z nich przedmiotu z tworzywa sztucznego.

W zależności od charakteru polimeru i jego zachowania w środowisku bogatym w wodę można go scharakteryzować jako higroskopijny lub niehigroskopijny. Materiały niehigroskopijne mają tendencję do wchłaniania wody tylko na swojej powierzchni, co ułatwia ich usunięcie przez zwykłe podgrzanie. Z drugiej strony, materiały higroskopijne są w stanie absorbować duże ilości wilgoci z powietrza i magazynować ją głęboko w swojej matrycy. Podgrzanie higroskopijnego tworzywa pomaga usunąć wodę zaabsorbowaną na powierzchni, ale nie wodę zgromadzoną głęboko w matrycy. Z tego powodu higroskopijne polimery wymagają dokładniejszej pielęgnacji i przechowywania przed przetworzeniem oraz przechowywania w suchym i szczelnym środowisku.

Najpopularniejsze filamenty do druku 3D są formułowane z materiałów higroskopijnych, takich jak PA, TPU, PVA, PET-G lub ABS.

Badania przeprowadzone na mokrych filamentach do druku 3D przez zespół inżynierów BCN3D

Zespół BCN3D Engineering prowadził badania nad wpływem wilgoci na filamenty do druku 3D, mając na celu uzyskanie podstawowej wiedzy o tym, jak różne materiały pochłaniają wilgoć, jak wpływa to na ich działanie i jakie są najlepsze metody ich suszenia. Po pierwsze, zbadali charakterystykę wchłaniania wody przez filamenty PA, PVA i TPU oraz ich zdolność do uzyskiwania wiarygodnych wyników końcowych po poddaniu ich działaniu pewnych poziomów wilgotności względnej, ponieważ są to najbardziej higroskopijne materiały w naszym portfolio filamentów, a zatem najbardziej wrażliwe do nieprawidłowych warunków przechowywania.

Tabela 1: Zmiana wagi różnych materiałów do drukowania 3D przy różnych poziomach wilgotności względnej

Wyniki przedstawione powyżej w tabeli 1 pokazują ilość wody wchłoniętej przez te szpule z filamentami w stosunku do zawartości wody w środowisku. Gdy szpule były utrzymywane w suchej atmosferze (pozycja 1, tabela 1) nie odnotowano żadnego istotnego wzrostu masy, jednak gdy były one narażone na wyższe współczynniki wilgotności, wchłaniały one proporcjonalnie większą ilość wody.

Jak pokazuje tabela, każdy materiał miał unikalny profil absorpcji: PVA jest najbardziej higroskopijnym z badanych materiałów i przechowywany w 70% RH przez 4 dni wchłaniał w wodzie równowartość 1,22% swojej pierwotnej masy. Tymczasem PA i TPU zdawały się zachowywać podobnie, gdy były wystawione na niskie poziomy wilgotności otoczenia (pozycje 1-4, tabela 1, 10-40% RH), pochłaniając równe ilości wody. Jednakże, podczas gdy zdolność absorpcyjna TPU spłaszczyła się powyżej 40% RH, PA wykazywał bardziej higroskopijne zachowanie w środowisku o wysokiej wilgotności (pozycja 5, tabela 1).

Filamenty PA, PVA i TPU – porównanie mokrych filamentów podczas drukowania

Następnie zespół rozpoczął drukowanie kilku prostych kształtów geometrycznych za pomocą tych wstępnie przygotowanych włókien, aby sprawdzić, czy narażenie na wilgoć wpłynęło negatywnie na drukowalność materiałów. Wydruki testowe składały się z cienkościennego cylindra i prostopadłościanu, idealnego do kontroli obecności pęcherzyków, pustek i nitek.

W eksperymencie kontrolnym wilgotność była utrzymywana poniżej 10%, wszystkie szpule dawały doskonałe wydruki, jak pokazano na poniższym rysunku, wydrukowane próbki nie wykazują niedoskonałości.

Przy 12% wilgotności, podczas gdy PA i PVA nadal były drukowane tak dobrze, jak podczas eksperymentu kontrolnego, TPU już wykazywało znaczące nitkowanie, co oznacza, że lepkość stopu została zmniejszona przez obecność wody działającej jako plastyfikator.

PA zaczął wytwarzać mętne powierzchnie i wykazywał nitkowanie przy 30% wilgotności względnej, podczas gdy PVA, mimo że jest najbardziej higroskopijnym z trzech testowanych materiałów, wytrzymał wysokie poziomy wilgotności, utrzymując drukowność przy zaledwie 40% wilgotności względnej.

Obraz przedstawia wydruki testowe 3D wydrukowane przez zespół inżynierów BCN3D przy RH <10%, RH 12% i RH 70%. Od lewej do prawej: PVA, TPU i PA.

Ten eksperyment rzuca światło na ważne informacje na temat zachowania włókien PA, PVA i TPU, gdy są przechowywane w środowisku o różnych poziomach wilgotności względnej. Mierząc ilość wchłoniętej wody, zespół inżynierów BCN3D był w stanie zidentyfikować PVA jako najbardziej higroskopijny materiał, następnie PA i wreszcie TPU. Okazało się jednak, że TPU, który jest najmniej higroskopijny z tych trzech materiałów, jest też najbardziej wrażliwy na nieprawidłowe przechowywanie.

Tabela 2: Granice drukowalności dla badanych materiałów

Wpływ czasu na szybkość wchłaniania wody przez filamenty do drukarek 3D

Drugi eksperyment, który przeprowadził zespół, miał na celu uwzględnienie wpływu czasu na szybkość wchłaniania wody przez różne materiały.

Zespół inżynierów z BCN3D mógł również obliczyć teoretyczny okres trwałości przy 60% wilgotności względnej w dobrze wentylowanym pomieszczeniu, przecinając dane z pierwszego i drugiego eksperymentu. Na podstawie tych obliczeń zespół mógł określić, że PVA potrzebuje 12 godzin, aby osiągnąć krytyczną zawartość wody 0,47%, co prowadzi do nieudanych wydruków (tabela 3). W przypadku PA czas ten zostaje skrócony do 4 godzin, aby osiągnąć krytyczną zawartość wody 0,10%. Zgodnie z tymi obliczeniami TPU potrzebuje tylko 1,5 godziny przy 60% RH i już nie przechodzi testu drukowania (Tabela 3). Liczby te są dość alarmujące i pokazują, jak łatwo wilgotność i nieprawidłowe przechowywanie mogą wpłynąć na wynik i spójność procesu drukowania FFF 3D.

Tabela 3: Obliczanie teoretycznego okresu trwałości różnych materiałów do druku 3D na podstawie eksperymentów przeprowadzonych przez zespół inżynierów BCN3D

Zbadali również zachowanie materiałów wewnątrz Smart Cabinet BCN3D, środowiska zaprojektowanego do ochrony przed wilgocią, jak wyjaśniono w dalszej części tego dokumentu. Poniższy wykres przedstawia parametry środowiskowe Smart Cabinet w działaniu, przy zewnętrznej wilgotności względnej na poziomie 55%.

Wykres 1: Smart Cabinet BCN3D utrzymuje wewnętrzny poziom wilgotności między 15% a 20%, nawet przy zewnętrznej wilgotności względnej na poziomie 55%

BCN3D Smart Cabinet utrzymuje włókna w środowisku o niskiej wilgotności, znacznie zmniejszając ryzyko niepowodzenia drukowania z powodu nadmiernej zawartości wody. Jak pokazano na wykresie 6, nawet przy wilgotności zewnętrznej 55%, Smart Cabinet zapewnia wewnętrzną wilgotność między 15 ° a -20%, aby zachować drukowność włókien, przedłużyć ich okres przydatności do spożycia i zmniejszyć estetyczne defekty na końcowym efekcie.

Skuteczność tradycyjnych metod suszenia filamentu w porównaniu do Smart Cabinet BCN3D

Istnieje kilka metod suszenia filamentu, które są dobrze znane w branży druku 3D. Jednak metody te mają różne wady, które mogą doprowadzić nawet do uszkodzenia polimeru.

Tradycyjne metody suszenia filamentu

Pieczenie w piekarniku

Włókna suszone w piekarniku mogą powodować wysokie koszty energii, jednocześnie zmniejszając wytrzymałość na rozciąganie, a nawet topiąc je, jeśli są zbyt gorące. Jest to również bardzo czasochłonny proces.

Klimatyzator lub osuszacz

Używanie klimatyzatora lub osuszacza do suszenia filamentu może być również dość kosztowne, a nie może suszyć filamentu poniżej 40% wilgotności względnej. Jest również nieskuteczna, gdy temperatura otoczenia jest niska.

Desykanty

Nie można kontrolować współczynnika wilgotności względnej, a ta metoda wymaga ciągłych wymian i konserwacji.

Inne tradycyjne metody suszenia filamentu

Ciągłe nagrzewanie filamentów w celu ich wysuszenia może również wiązać się z wysokimi kosztami energii, a jednocześnie umożliwia suszenie tylko kilku szpul filamentu na raz.

Profesjonalne metody suszenia filamentu

Osuszacze adsorpcyjne

Osuszacze adsorpcyjne są powszechnym sposobem suszenia ciał stałych i polimerów, które mają tendencję do pochłaniania wilgoci. Ich działanie opiera się na połączeniu adsorbentów z wodą; skutecznie wychwytują cząsteczki wody z powietrza, co znacznie zmniejsza wilgotność powietrza. Te adsorbenty mają zwykle postać granulek lub kulek i są wykonane z krzemionki, tlenku glinu lub specjalnych glinek, które mają zdolność pochłaniania dużych ilości wody z powietrza i mogą być regenerowane. Proces suszenia kolejno zwiększa szybkość parowania wody z otaczających stałych powierzchni, zmniejszając w ten sposób całkowitą zawartość wody. Po pobraniu określonej ilości wody z powietrza materiał adsorpcyjny ulega nasyceniu, a jego skuteczność szybko spada. Izolując materiał absorpcyjny od komory grzewczej i podnosząc jego temperaturę, możemy uwolnić całą wchłoniętą wilgoć do otoczenia i zregenerować materiał.

BCN3D Smart Cabinet również działa w oparciu o tę metodę, naprzemiennie między cyklami suszenia i regeneracji, utrzymując w ten sposób stałe suche środowisko wokół przechowywanych szpul i chroniąc je przed nagłymi zmianami zewnętrznymi.

Proces suszenia gorącym powietrzem

Ten prosty proces polega na cyrkulacji gorącego i suchego powietrza przez warstwę plastikowych granulek. Pellety są zwykle przemieszczane mechanicznie, a ich końcowa zawartość wody zależy od temperatury powietrza i czasu przebywania w zasobniku (rys. 2). Ten proces jest najbardziej skuteczny w przypadku materiałów niehigroskopijnych i wysokotopliwych, ponieważ obróbka termiczna miałaby wpływ na materiały takie jak PLA.

Rysunek 1: Proces suszenia gorącym powietrzem. Źródło: www.process-heating.com

Proces próżniowy

Suszenie próżniowe filamentu polega na tym, że prężność par i temperatura wrzenia cieczy zależą od ciśnienia otoczenia. Obniżając ciśnienie atmosferyczne można obniżyć temperaturę wrzenia wody. Na przykład, gdyby ciśnienie spadło do jednej dziesiątej normalnego ciśnienia atmosferycznego (z 1,0 do 0,1 atm.), Temperatura wrzenia wody zmieniłaby się ze 100 ° C do 33 ° C. W ten sposób możliwe jest usuwanie cieczy z ciał stałych bez faktycznego podgrzewania. Z tego powodu suszenie próżniowe jest uważane za bardzo łagodny i skuteczny sposób na zmniejszenie zawartości wody w ciałach stałych. Jednak wielką wadą suszenia próżniowego jest koszt sprzętu i ciągła konserwacja potrzebna do zapewnienia bezpiecznej i długotrwałej pracy.

BCN3D Smart Cabinet

W porównaniu ze wszystkimi wcześniej wymienionymi metodami, Smart Cabinet BCN3D ma niskie zużycie energii (średnio 12 W / 100 W maks.), Podczas gdy może utrzymać filament poniżej 40% wilgotności względnej, co jest optymalne dla większości wydruków 3D materiały.

Może wysuszyć do 8 małych szpulek filamentu (od 750 g do 1 kilograma) lub 4 duże szpule (do 2,7 kilograma na szpulę) bez ciepła, zachowując w ten sposób wytrzymałość materiałów na rozciąganie.

BCN3D Smart Cabinet chroni filamenty przez długi czas i znacznie zmniejsza błędy drukowania spowodowane wilgocią. Znajdujący się wewnątrz żel krzemionkowy, otwarty na środowisko osuszające, pochłania wilgoć z powietrza w komorze. Po nasyceniu żel jest izolowany od materiałów i podgrzewany, aż uwolni wilgoć, usuwając ją z systemu. Po oczyszczeniu żel krzemionkowy został odświeżony i gotowy do gromadzenia większej ilości wilgoci. Proces ten skutecznie utrzymuje filament w stanie suchym i optymalnym do użycia.

Mokry filament a drukowanie 3D - podsumowanie badań inżynierów BCN3D

Jak pokazują powyższe wyniki wszystkich eksperymentów przeprowadzonych przez zespół inżynierów BCN3D, filamenty bogate w wilgoć mogą zepsuć efekt końcowy zadania drukowania, a także poważnie uszkodzić samą drukarkę 3D.

Dlatego niezwykle ważne jest, aby zawsze przechowywać materiały do druku 3D w szczelnym miejscu, w którym można kontrolować poziom wilgotności względnej powietrza. Tu z pomocą przychodzi BCN3D Smart Cabinet, który skutecznie wydłuża żywotność materiałów poprzez przechowywanie ich w optymalnych warunkach, przechowywanie utrzymywane nawet podczas procesu drukowania, zapewniając bezbłędne wrażenia z druku 3D.

Zamów Smart Cabinet teraz.

Smart Cabinet