Правильное хранение пластика для 3D-печати

Зачем защищать филамент?

Вопрос вполне резонный. В конце концов, это же пластик, а пластик воду не впитывает. Да, это пластик, но большинство термопластиков, которые используются для 3D-печати, гигроскопичны, то есть впитывают воду из воздуха, если их не защищать. Иными словами, если просто оставить пластик на открытом воздухе, результаты печати с его использованием спустя какое-то время окажутся некачественными.

Чем же опасна влага при печати, спросите Вы. А тем, что влага влияет на прилипание пластика к стенкам экструдера и косвенно на слипание между слоями. А самое неприятное - влага кипит, а как мы знаем пар очень неприятен при заключении его в закрытые объемы, и в определенном смысле имеет взрывной эффект. В нашем случае эффект взрыва - это излишняя экструзия и сразу следующая за ней пауза, проще говоря блямба пластика и пропущенный кусок слоя сразу за этой блямбой. Не говоря уже об изменении свойств самого филамента (далее в статье описывается процесс гидролиза и его негативные результаты для филамента).

Результаты печати повреждённым филаментом окажутся довольно печальными, поскольку под воздействием влаги с ним может произойти следующее:

• Увеличится хрупкость
• Филамент начнет разлагаться
• Увеличится диаметр
• Филамент начнет пузыриться, из сопла начнет выходить пар
• Для экструдирования потребуется более высокая температура
• Филамент станет разрываться

Степень серьёзности этих проблем сильно зависит от типа филамента, некоторые пластиковые нити больше подвержены влиянию влаги, некоторые меньше. К примеру, PET влагу почти не впитывает, тогда как нейлон, может начать впитывать влагу всего после 18 часов пребывания на открытом воздухе. Cо специальными филаментами вроде PVA, который используется для создания опорных элементов, дела обстоят еще хуже. PVA – это очень гигроскопичный материал, который нужно хранить в герметичном контейнере. В противном случае он впитает в себя столько влаги, что станет абсолютно бесполезным.

PLA и ABS также могут впитывать влагу (PLA больше, чем ABS). От влаги может пострадать не только филамент, но и ваш 3D-принтер, потому что разбухший PLA-филамент может забить сопло принтера до такой степени, что сопло даже придется заменить.

Рассмотрим проблему подробнее

Все пластмассы, включая термопластичные филаменты для 3D печати, являются полимерами. Наука о полимерах - обширная и сложная область. Но понять что такое полимер довольно легко. Полимер представляет собой материал, состоящий из нескольких повторяющихся мономеров. Скорее всего это звучит не очень понятно, поэтому давайте рассмотрим материал, с которым многие знакомы - это ПВХ.

Основы: что такое полимер?

ПВХ (сокращение от поливинилхлорид - PVC - poly vinil chloride в иностранных источниках) представляет собой материал, состоящий из нескольких молекул винилхлорида, соединенных вместе в цепочку. Винилхлорид является мономером, и если мономеров много, получаем полимер. Легко, правда?

Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Зачастую “P” в аббревиатуре материала будет означать “Поли”.

Общие примеры:

• PET - Полиэтилентерефталат, обычно известный как полиэстер
• PLA - Полимолочная кислота (также называемая полилактидом)
• РР - Полипропилен или поли (пропен)
• РЕ - Полиэтилен
• PS - Полистирол
• PA - Полиамид, широко известный как нейлон

Вероятно, вы встречали термины сополимеры или сополиэфиры, выбирая филамент для вашего принтера.

Разберемся с этими понятиями.

Сополимер представляет собой просто полимер, состоящий из более чем одного мономера. ABS, вероятно, самый известный сополимер. Он состоит из 3 мономеров - акрилонитрила, бутадиена и стирола. В частности, ABS является тройным сополимером, поскольку он состоит из 3 мономеров, но термин «сополимер» охватывает все, что состоит из более чем 1 мономера. Другими примерами могут служить линии нейлоновых сополимеров Taulman - 618, 645, Bridge и Alloy 910.

Сополиэфир образуется при изменении PET, например Полиэстера. Сополимеры полиэстера приобрели популярность в качестве филаментов недавно - PETG, PET +, Colorfabb XT, nVent,nGen и T-Glase - это всё сополиэфиры.

Гидролиз - Звучит необычно, как это влияет на пластик?

Теперь, когда у нас есть общее представление о том, что такое полимер - длинная цепочка мономеров, пришло время поговорить о воде и о процессе, называемом гидролизом.

Когда мономеры соединяются вместе - это называется полимеризацией. Однако это не односторонний процесс. Полимерные цепи могут и разрушаться - или деполимеризоваться - различными способами. Одним из таких способов является гидролиз. Гидролиз - это когда молекула воды разрушает полимерную цепь. Все сложные химические вещества образуются, когда полимеры гидролизуются. Не будем вдаваться в детали, главное, что свойства материала изменяются в процессе гидролиза (собственно они меняются всякий раз, когда длина полимерной цепочки уменьшается или увеличивается) - происходит потеря прочности на растяжение, изменение прозрачности и т. д.

Когда выдавливается нить, которая поглотила воду, вода в материале испаряется и создает пузырьки воздуха и пустоты. Это может разрывать полимерные цепи (сокращая их), создавать пустоты, ослабляя материал.

Возможно, вы этого не знаете, но, вероятно, вы уже испытали эффекты гидролиза на ваших трехмерных печатных частях.

Влияние влаги на нейлон. Левый сушили перед печатью, правый нет. Оба образца были напечатаны материалом из одной катушки.

Перед печатью катушка слева была высушена в вакуумной печи, а правая просто лежала около двух недель на воздухе.

Высушенный нейлон довольно прозрачный. Влажный нейлон почти непрозрачен. Это может быть неясно на изображении, но высушенный нейлон имеет гладкую, глянцевую отделку, тогда как влажный нейлон имеет грубую текстурированную отделку. Оба объекта жесткие, но влажный нейлон значительно легче раздвинуть на слоях (вы также можете увидеть, что нейлон имеет тенденцию к деформации - независимо от того, влажный или сухой).

Влияние влаги на PETG. Левый так же высушивали перед печатью в печи, а правый нет.

Как вы можете видеть, есть четкая разница в отделке поверхности и текстуре. Высушенная модель глянцевая и однородная, а вторая модель текстурирована, с матовым покрытием. Текстура воникает из-за пустот, образуемых пузырьками воздуха. Модель из влажного материала значительно более хрупкая, а межслойная адгезия (прим. сцепление поверхностей разнородных твердых тел) значительно снижается.

Влияние влаги на ABS. Правый сушили перед печатью, левый нет.

 Все очевидно, комментарии излишни!

К счастью, большинство филаментов не очень чувствительны к гидролизу при комнатной температуре без присутствия кислоты или основания. Однако они очень чувствительны к гидролизу при нагревании до температуры экструзии. Это означает, что нам не нужно беспокоиться в начале печати, но нам нужно предпринять шаги для предотвращения гидролиза при печати.

Поскольку многие из распространенных филаментов являются гигроскопичными (они легко поглощают влагу из воздуха), стоит предпринять некоторые действия для предотвращения увлажнения пластика и и для дальнейшего сохранения сухости.

Нейлоновые, поликарбонатные и сополиэфирные филаменты все очень гигроскопичны и восприимчивы к гидролизу при печати в присутствии воды. Нейлон и поликарбонат могут поглощать достаточное количество воды за 48 часов, чтобы разрушить отпечатки.

Как мы узнаем, что филамент влажный и его необходимо высушить?

Самый простой способ - выдавить небольшое количество филамента и посмотреть, как он вышел из сопла. Если вы видите пузырьки, услышите любое шипение / треск или увидите пар, то он определенно влажный и нуждается в сушке.

Если у вас есть нейлон, поликарбонат или PETG, и катушка простаивает больше дня или около того, то Вам, вероятно, придется высушить ее. PLA и ABS также восприимчивы, но для поглощения количества воды, способного вызвать проблемы при печати, им нужно больше времени.

Как мы можем высушить филамент и сохранить его в таком состоянии?

Существует несколько способов.

Во-первых, важно развеять популярный миф. Вы не сможете эффективно высушить филамент, храня его в герметичном контейнере с осушителем.

Самый простой способ высушить филамент - в духовке. Конвекционные печи работают очень хорошо, поскольку в них постоянно циркулирует горячий воздух вокруг катушки.

Есть только одна важная вещь, которую нужно знать, прежде чем так сушить свой филамент. Вы должны предварительно разогреть духовку и позволить ей достичь заданной температуры. Печи работают так же, как горячие концы на 3D-принтерах - с контролем температуры ПИД-регулятора - и в печах иногда бывает небольшое превышение заданной температуры. Это не влияет на еду, но это определенно может испортить Ваш филамент, сплавляя нити вместе или расплавив катушку, на которую они намотаны.

Итак, основные правила сушки филамента:

1) Разогрейте духовку до 70-80°C

2) Поместите катушку в духовку на 4-6 часов

3) Достаньте филамент и поместите его в ваккумный пакет, предпочтительно с осушителем.

Филаменты с более низкими температурами стеклования (Tg), подобными PLA, используют более низкие температуры для сушки. Более низкие температуры также требуют больше времени для тщательной сушки.

Это все, что необходимо для высыхания материала и обеспечения оптимальной производительности и отделки поверхности.

Поэтому, если у вас есть несколько катушек, которые не использовались некоторое время и не печатаются так хорошо, как раньше, высушите их и повторите попытку. Скорее всего, они будут как новые.

Лучшее решение для хранения филамента.

Вакуумные пакеты.

Возьмите любые вакуумные мешки, которые у Вас есть дома, или купите их, если у Вас их нет. Эти мешки характеризуются наличием односторонних вакуумных клапанов, через которые можно удалить пылесосом весь воздух, главную причину всех бед. Эти пакеты используют в домах для экономии пространства, в них можно хранить одежду, ткань, постельное бельё. Чем эти вакуумные пакеты хороши? Они предохранят ваш чувствительный филамент от любой влаги, запахов, плесени и насекомых. Перед тем, как поместить свою нить в сумку для хранения, используйте зажим для нити, чтобы предотвратить распутывание катушки.

Несколько идей зажима нити.

1. Thingiverse

2. Thingiverse

3. Thingiverse

 4. Pinshape

Кроме того, на пакетах должны быть две застежки, а не одна – так вакуум сохраняется лучше. Мы рекомендуем покупать пакеты самого высокого качества, т.к. их клапана лучше, а пластик – толще (меньше вероятность прокалывания) и менее склонен к потрескиванию.

Что касается размера, то выбор за вами, но лично мы предпочитаем пакеты 50 на 60 см – они удобнее и легче в обращении. Как правило, эти пакеты сделаны из прозрачного пластика, благодаря чему легко определить, какой именно филамент в них находится. Также не мешает приклеить к катушкам опознавательные наклейки.

Совет: Выкачав из пакетов воздух, их можно складывать друг на друга, и они будут занимать совсем немного места. Их также можно хранить вертикально – например, в коробке или шкафу.

То есть идея в том, чтобы хранить катушки с филаментом в вакууме, т.е. в пространстве, в котором нет воздуха – благодаря этому филамент не сможет впитывать влагу, потому что ее вокруг филамента попросту не будет. Ну, почти. Вакуум в пакете не идеален, поэтому в компанию к филаменту все же нужно будет положить какое-нибудь влагопоглощающее средство, и мы рекомендуем использовать для этого шарики силикагеля. Их можно купить, к примеру, в виде уже готовых к использованию комплектов, причем их можно высушить в сушильной печи, а потом использовать повторно. Впрочем, у такого решения есть недостаток – силикагель находится в закрытом пакете, поэтому узнать, наполнились шарики влагой, невозможно. Кроме того, их иногда трудно купить в маленьких количествах и по приемлемой цене.

Однако этот вариант и ему подобные – не всегда самые лучшие, потому что Вы не можете определить, когда силикагель становится насыщенным. Если Вы хотите серьезно подойти к вопросу о том, как держать свой филамент сухим, лучшими могут оказаться упаковкисиликагеля с индикатором насыщенности влагой.  Это аморфные, высокопористые, синтетические шарики, которые при насыщении влагой меняют цвет от желтого или оранжевого до зеленого или синего, в зависимости от влажности окружающего воздуха.

Есть несколько таких типов силикагелей с индикатором влажности. Остерегайтесь и не покупайте дешёвые, которые меняются от темно-синего (сухого) до розового (насыщенного), поскольку они обычно содержат хлорид кобальта, продукт, который может содержать канцерогены и не применяется в ряде стран ввиду своей опасности для здоровья человека. Мы не химики, но, по-видимому, индикатор цвета в оранжево-зеленых шариках с силикагелем является разновидностью композитного красящего вещества и гораздо более безопасен для использования.

Многие спрашивают, можно ли вместо силикагеля использовать рис? Можно. Рис дешевый и легкодоступный, он обладает гигроскопическими свойствами, но мы не советуем использовать рис в качестве осушителя, так как его адсорбционные свойства не могут сравниться с характеристиками промышленного силикагеля.

Напоследок осталось разобраться с контейнером, где будет храниться силикагель. Для этого подойдет любая прозрачная ёмкость с маленькими дырочками, прорезями или какими-то другими отверстиями – они нужны для того, чтобы силикагель мог притягивать влагу, оставшуюся в вакуумном пакете.

Вы можете купить коробочки вроде этой (правда, они продаются только вместе с силикагелем) или же создать такую коробочку самостоятельно. 3D-печатную модель для нее можно скачать отсюда, а в дальнейшем Вам останется лишь подогнать её под нужный размер и распечатать.

Другой вариант – полипропиленовые контейнеры (те, у которых слегка мягкие стенки) с откручивающейся крышкой, которые часто используют в лабораториях и для хранения монет, шурупов и т.д. Также можно воспользоваться маленькими пластиковыми баночками с крышками/колпачками (см. фото ниже). Впрочем, фабричный вид этих контейнеров и баночек нужно будет подвергнуть некоторой модификации – возьмите дрель (я использую 2-миллиметровое сверло для дерева; оно очень острое и отлично подходит для данной задачи) и проделайте в контейнере/баночке много отверстий. Теперь осталось наполнить емкость шариками и – вуаля! – в вашем распоряжении эффективная система влагопоглощения с цветовой индикацией!

Когда шарики поменяют цвет с оранжевого на зеленый, просто выньте их из контейнера, положите на противень и поставьте в духовку – на 3 часа с температурой 120°C. Некоторые духовки работают по принципу микроволновки, но мы их использовать не советуем. Когда шарики вновь обретут оранжевый цвет, это значит, что они высохли и готовы к повторному использованию.

Хранения филамента во время печати.

Для этих целей подойдет герметичный контейнер с осушителем. 

1. Thingiverse

2. Thingiverse

В качестве бонуса

Сырость это очень серьезная проблема, но не единственная. 
Если дома есть животные или пыльно, то за сутки катушка может принять на себя много мусора. 
Стоит распечатать такой фильтр и постоянно использовать. Тогда Ваши распечатанные модели будут более высокого качеста и уменьшится вероятность забивание экструдера. 

1. Thingiverse

Понятно, что в большом деле не без мелочей, однако 3D-печать — это не тот случай, и то, что филамент оказался низкого качества, не может служить оправданием посредственного результата. Перечисленные в этой статье хитрости, используемые по отдельности или в комбинации, определенно помогут вам получать удивительные и высококачественные 3D-распечатки. Что-то может показаться немного экстремальным, но в конце концов это поможет сберечь время и деньги. А также мебель – чтобы её не переворачивали в припадке разочарования.

Happy Printing

С уважением, команда Zona-3D.ru