Мы предлагаем поговорить об одном из важных процессов в 3D-печати — усадке материалов.
В статье мы доступно объясним: что такое усадка, по каким причинам возникает, какие дефекты при 3D-печати вызывает и как с ними бороться. Так как тема достаточно обширна и связана с техническими и физическими особенностями процесса 3D-печати, предлагаем определиться с терминами, которые будут использоваться в статье.
Словарь терминов:
Температура стеклования — это температура, выше которой полимеры находятся в пластичном состоянии. При этом материал не успевает выстроиться в устойчивую кристаллическую решётку, — стеклообразное состояние. В 3D-печати температура выше температуры стеклования используется как температура печати.
Усадка — это процесс уменьшения размеров изделия в ходе его охлаждения вследствие влияния температурного расширения материала.
Пассивная термокамера — закрытый корпус 3D-Принтера, который защищает от влияния перепадов температуры окружающей среды, а также от горячих и холодных неконтролируемых потоков воздуха (сквозняков и прочих) область печати, где изготавливается модель. В качестве источника пассивного нагрева воздуха внутри термокамеры выступает печатающая головка экструдера и нагревательный стол. В качестве минусов выступает отсутствие контроля за температурой термокамеры и неравномерность её прогрева.
Активная термокамера — закрытый корпус 3D-Принтера или иначе, отделённая от холодной зоны термокамера с принудительным нагревом горячей зоны и контролем температуры внутри неё. Защищает от влияния перепадов температуры окружающей среды и позволяет создавать определённую температуру в пределах всего объёма печатной области.
Теперь, когда мы говорим на одном языке, познакомимся с физикой процесса усадки.
Для 3D-печати усадка имеет одно из ключевых значений. В ее процессе задействовано влияние двух процессов. Во-первых, на усадку влияют внутренние напряжения. Они образуются в процессе кристаллизации полимера по мере охлаждения.
Кристаллизация полимера происходит ниже температуры стеклования. Охлаждение распространяется от поверхности заготовки к центру. В определенный момент производимая заготовка уже имеет твердое охлажденное состояние снаружи, но остается еще мягкой и горячей внутри детали. Подобное явление приводит к образованию внутренних напряжений.
![](https://static.tildacdn.com/tild6662-6338-4034-b466-383632343662/volgobot-usadka2.jpg)
Во-вторых, большое влияние на усадку оказывает коэффициент температурного расширения.
Из-за большой разницы температур между расплавом полимера (для технологии 3D-печати) и температурой в помещении, усадка может достигать 0.5 - 5%.
Из-за большой разницы температур между расплавом полимера (для технологии 3D-печати) и температурой в помещении, усадка может достигать 0.5 - 5%.
Усадка модели напрямую зависит от материала изделия. Например, PLA из-за маленькой температуры стеклования имеет самую маленькую усадку. Для инженерных филаментов с высокой температурой печати, — например PEEK, PA-66 и другие, — усадка может достигать нескольких процентов. Здесь прямая зависимость — чем выше температура печати, тем больше усадка.
Переходим к следующему разделу и рассмотрим виды дефектов в 3D-печати от усадки.
Первой выделим деформацию краев модели. В 3D-Принтерах с открытым корпусом или пассивной термокамерой появляется проблема «загибания» краев модели. Это происходит из-за неравномерности охлаждения. На рисунке показан пример такого случая. Причина возникновения данного дефекта — неравномерная температура на разных участках печатного изделия. Слои, которые напечатаны раньше, остывают, а только проложенный слой имеет температуру расплава.
![](https://static.tildacdn.com/tild3136-3364-4063-b838-343337616562/volgobot-usadka3.jpg)
Решением проблемы деформации краёв является равномерное охлаждение всей модели целиком.
Создание закрытого корпуса вокруг 3D-Принтера помогает избавиться от влияния сквозняков, которые могут неравномерно охлаждать модель. Также это позволяет создать пассивную термокамеру. Однако это решение применимо не в 100% случаев. Для высокотемпературных материалов требуется значительно бо́льший нагрев камеры, поэтому при работе с такими филаментами необходимо использовать только активную термокамеру.
Создание закрытого корпуса вокруг 3D-Принтера помогает избавиться от влияния сквозняков, которые могут неравномерно охлаждать модель. Также это позволяет создать пассивную термокамеру. Однако это решение применимо не в 100% случаев. Для высокотемпературных материалов требуется значительно бо́льший нагрев камеры, поэтому при работе с такими филаментами необходимо использовать только активную термокамеру.
Второй распространённый дефект — потеря размеров печатного изделия.
Решить данную проблему можно благодаря компенсации усадки модели. Методика компенсации усадки универсальная для всех материалов и применяется на практике в Volgobot. Даже самое высокоточное аддитивное оборудование не может сразу изготовить деталь в точности с размерами 3D-модели. Небольшие люфты, пере- и недо- экструзия и другие параметры складываются в так называемый «припуск на обработку». Проще — это отличие реального результата от желаемого. Припуск индивидуален для каждого 3D-Принтера и его необходимо компенсировать. Для этого нужно задать значение горизонтального расширения.
Для определения горизонтального расширения мы предлагаем использовать приведённый ниже алгоритм.
- Напечатать кубик 10х10х10 мм из необходимого пластика. Выбор маленькой модели обусловлен исключением фактора усадки.
- Измерить грани кубика при помощи измерительного инструмента. При печати полученный результат всегда будет отличаться от идеального. Допустим, размер грани распечатанного кубика 10,3 мм.
- Внести изменение в параметр горизонтального расширения в слайсере (мы пользуемся Cura). Чтобы улучшить допуск печати, необходимо программно компенсировать разницу 0,3 мм. Для этого в слайсере задаётся значение горизонтального расширения 0,15 мм. Если размер кубика получился бы 9,8 мм, то значение горизонтального расширения выставили бы 0.1 мм и т.д.
- Повторить пункты 1-3 до достижения необходимого результата. Тест повторяется до идеального или близкого к идеальному результату.
Когда мы закончили с горизонтальным расширением можем приступать к определению усадки и коэффициента масштабирования крупной модели. Важно отметить, что в 3D-печати горизонтальная и вертикальная усадка отличаются по своим значениям и их необходимо считать отдельно.
Для определения коэффициентов масштабирования по горизонтали и вертикали мы также предлагаем использовать алгоритм.
1.Распечатать модель с большим размером по длине. Моделью для тестовой печати может являться простейшая геометрическая фигура, например прямоугольник 150х10х10 мм. Запускается тестовая печать при тех же настройках, что и при планируемой детали.
2.Измерить длину бо́льшего размера. При печати полученный результат всегда будет отличаться от 3D-модели. К примеру, полученный размер получился 148 мм, а желаемый 150.
3.Составить пропорцию: полученный размер так относится к 100%, как желаемый размер относится к Х%.
![](https://static.tildacdn.com/tild6331-3236-4363-b137-393966623966/volgobot-usadka4.jpg)
4.При решении полученной пропорции мы узнаем значение оптимального коэффициента масштабирования для компенсации усадки. На примере: полученный размер — 148 мм, желаемый — 150. При решении пропорции коэффициент масштабирования получается 101,3%.
5.Внести изменения в параметр коэффициента масштабирования горизонтальной усадки. В окошке данного параметра задаётся значение, полученное из пропорции. В нашем случае: 101,3%.
6.Проверить результат и в случае необходимости повторить предыдущие пункты. Тест повторяется до результатов, удовлетворяющих необходимый допуск.
Хочется отметить, что на 3D-Принтерах Volgobot A4 PRO и A3 PRO мы изготавливаем крупные детали в допуск вплоть до 10 квалитета точности. На рынке 3D-печати далеко не каждое оборудование способно соответствовать подобным показателям.
На этом мы завершаем статью по усадке в 3D-печати.