Mikrometryczny pomiar jakości filamentu do druku 3D naprawdę ma znaczenie.

Filamenty otrzymywane podczas wytłaczania tworzyw termoplastycznych charakteryzują się mniejszymi bądź większymi odchyleniami kształtu przekroju poprzecznego od idealnego kształtu koła.

Podczas wytłaczania filamenty mają tendencje do uzyskiwania eliptycznego kształtu przekroju poprzecznego. Wielkość tego odchylenia określany jest jako stopień owalizacji filamentu.

Wraz z rozwojem technologicznym drukarek 3D FDM wzrosły wymagania jakościowe dla filamentów wykorzystywanych w tej technologii druku. Rynek filamentów jest coraz bardziej wymagający w zakresie jakości.

Średnica nominalna oraz tolerancja średnicy filamentu oraz owalność odgrywają ważną rolę dla dokładności części drukowanych za pomocą drukarek 3D.

Mikrometryczny pomiar jakości filamentu naprawdę ma znaczenie ponieważ umożliwia kontrolę pracy linii do produkcji filamentu dla drukarek 3D.

Dlaczego średnica filamentu stosowanego do druku 3D ma kluczowe znaczenie?

Filament do drukarek 3D powinien posiadać przekrój poprzeczny jak najbardziej zbliżony do kształtu koła o ścisłe określonej średnicy zwykle wynoszącej 1,75 mm lub 2,85 mm. Te parametry są bardzo ważne z punktu widzenia użytkownika drukarki 3D. Po pierwsze idealnie kołowy przekrój filamentu gwarantuje dobry transport filamentu przez mechanizmy transportowe drukarki oraz eliminuje zjawisko pulsacji przepływu stopionego filamentu przez dyszę głowicy drukarki. Po drugie utrzymanie wymaganej średnicy filamentu zapewnia równomierny druk części, ponieważ gwarantuje, że objętość tworzywa dostarczana do głowicy jest stabilna w czasie. Dlatego jest ważne, aby filament miał nie zmienna średnice na całej długości. Reasumując stabilna i niezmienna średnica oraz kołowy kształt filamentu 3D to kluczowe parametry określające jego jakość.

Średnica to najdłuższa cięciwa przechodząca przez środek koła lub okręgu. Litera d - to oznaczenie średnicy. Tak jak to zostało pokazane na rysunku średnica to podwojony promień: d = 2r.

Rys.1 Średnica oraz promień filamentu do drukarek 3D.

W przypadku filamentu 3D średnica to odległość od jednej strony włókna do drugiej w przekroju poprzecznym. Większość dostępnych na rynku filamentów do drukarek 3D ma jeden z dwóch standardowych rozmiarów średnic: 1,75 mm lub 2,85 mm. Rozmiar średnicy filamentu zależy od użytkowanej drukarki. Po określeniu rozmiaru, którego używasz, możesz przejść do następnego poziomu, aby sprawdzić, czy kupowany filament rzeczywiście będzie miał ten rozmiar, który jest deklarowany.

Tolerancja średnicy średnicy filamentu do druku 3D dlaczego jest ważna?

Producenci zawsze podają średnicę produkowanego filamentu oraz poziom tolerancji średnicy filamentu. Będzie to np. 1,75 mm ± 0,05 mm. Ta ostatnia część,  plus lub minus, określa, jak ściśle producent przestrzega rozmiaru podczas wytwarzania produktu. ±0,05 mm to w zasadzie akceptowalny poziom i jest ogólnie uważany za branżowe minimum dla jakości średnicy filamentu.

Wielu producentów będzie dążyć do zapewnienia wyższej jakości i  bardziej surowych standardów tolerancji wymiarowej produkowanych filamentów. W rzeczywistości może to oznaczać, że ich standard jest bliższy ± 0,02 mm.

Rys. 2 Wizualizacja zmiany powierzchni przekroju filamentu 3D w funkcji zmiany średnicy.

Wymienione  wartości tolerancji średnicy i owalności filamentu są  parametrami charakteryzującymi filament pod względem stabilności jego geometrii, która wpływa się na jakość wydruków 3D. Jak wynika ze wzoru na pole powierzchni przekroju koła (filamentu), powierzchnia przekroju poprzecznego zależy od średnicy podniesionej do drugiej potęgi (funkcja kwadratowa) dlatego niewielka zmiana średnicy filamentu 3D powoduje relatywnie dużą zmianę powierzchni przekroju. Dlatego zapewnienie stałej i niezmiennej wymaganej średnicy oraz kołowości filamentu do druku 3D jest takie ważne.

Rysunek poniżej pokazuje zmianę objętości wytłaczanej dla 1 mm filamentu, z minimalną i maksymalną tolerancją średnicy.

Rys. 3 Wizualizacja zmian objętości wytłaczanej dla 1 mm filamentu, z minimalną i maksymalną tolerancją średnicy.

Proste obliczenia procentowe pokazują, że zmiana objętości wynosi 12% (waha się od 2,5446 do 2,2698 mm3), od 1,80 mm do 1,70 mm (+/- 0,05 mm) i 24% (waha się od 2,688 do 2,1382 mm3) od 1,85 mm do 1,65 mm (+/- 0,10 mm).

Dlaczego tolerancja średnicy filamentu ma znaczenie?

Te zmiany objętości mogą powodować niedostateczne lub nadmierne wytłaczanie, które wpływa na jakość drukowanej części poprzez systematyczną degradację wiązań między warstwami, wytrzymałości, wymiarów, współczynnika wypełnienia, wykończenia powierzchni, masy itp. Kiedy program oblicza, jak wydrukować przedmiot, wykonuje wszystkie obliczenia w oparciu o kilka założeń. Te założenia nadajesz mu w ustawieniach. Jedną z liczb, które podajesz, jest średnica filamentu, którego będziesz używać. Następnie program wykorzystuje tę liczbę, aby obliczyć, jak szybko, na jakim obszarze i z jaką szybkością wypchnąć filament z dyszy drukarki 3D. Jeśli filament, którego używasz, nie ma tej samej średnicy, jakiej oczekuje program, Twój wydruk nie będzie wyglądał tak dobrze, jak powinien. W rzeczywistości może to prowadzić do małych dziur, brakujących sekcji, zbyt dużej ilości filamentu w niektórych miejscach i innych problemów. Dlatego ważne jest, aby filament był jak najbardziej zbliżony do specyfikacji. Jeśli powiesz swojemu programowi, że ma 1,75 mm, musi być tak blisko, jak to tylko możliwe.

Pomiar owalności filamentu do drukarek3D.

Drugim kluczowym obok średnicy czynnikiem wpływającym na jakość filamentu jest  jego owalność. Innymi słowy, czy filament w każdym punkcie przekroju poprzecznego wygląda jak koło? A może jest „ściśnięty” tak, że ma owalny kształt?

Owalność - wada produkcyjna elementów technicznych, polegająca na tym, że mają kształt inny niż idealny okrąg (koło).

Owalność filamentu to jest ważny problem z więcej niż jednego powodu.

• Po pierwsze, fizyka kształtu powie Ci, że owalny filament może mieć trudności z przepchnięciem lub przeciągnięciem przez Twoją drukarkę.
• Ponadto owalność jest kolejnym wskaźnikiem słabej tolerancji średnicy. Nadmierna owalność powoduje, że nie jest możliwe jednoznaczne określenie tolerancji średnicy filamentu. Nadmierna owalność filamentu może być przyczyną problemów z wydrukiem 3D.

Większość producentów filamentów do drukarek 3D pomija owalność w swoich specyfikacjach. Po prostu to ignorują lub nie zgłaszają. Jedynym sposobem, aby stwierdzić czy produkowany na danej linii filament do druku 3D ma odpowiednią tolerancje średnicy jest jego pomiar w linii. Pomiar w linii ma związek ze sposobem produkcji filamentu i jest najważniejszą częścią linii produkcyjnej. Wiele fabryk korzysta z niższego i gorszego systemu pomiarowego w jednej osi i wykonuje mniej próbek w określonym czasie. Oczywiście należy mieć na uwadze ze sam pomiar nie usunie przyczyn powstawania niedokładności i wad produkowanego filamentu. Pomiar średnicy produkowanego filamentu jest dokonywany w zasadzie na końcu procesu produkcji i służy do kontroli jakości. Z tego powodu kluczowym czynnikiem decydującym o jakości produkowanego filamentu są parametry oraz jakość linii do produkcji filamentu, nie należy oczywiście zapomnieć o jakości surowca i kompetencjach obsługi linii.
Dobra linia do produkcji filamentów musi spełniać wiele ważnych kryteriów, aby zapewnić klientowi możliwość produkcji filamentów do druku 3D o wysokiej jakości.

• Link do artykułu: Linie do produkcji i badań filamentu do drukarek 3D.

• Link: Parametry techniczne linii do produkcji filamentów do drukarek 3D.

Firma Sitech3D dostarcza systemy pomiaru średnicy zbudowane w oparciu o laserowe mikrometry.

1-osiowy laserowy pomiar średnicy.

Laser 1-osiowy oświetla wiązką promieniowania filament, gdy jest ono produkowane w linii do wytłaczania. Gdy filament przechodzi przed wiązką promieniowania lasera nadajnika, blokuje część światła, które dociera do odbiornika, na podstawie tych danych jest obliczana średnica filamentu. Pomiar średnicy w jednej osi nie dostarcza informacji o owalności filamentu

2-osiowy laserowy pomiar średnicy.

Laser 2-osiowy. Umożliwia mierzenie średnicy filamenty w dwóch osiach. Dokonuje pomiary średnicy w dwóch miejscach w tej samej płaszczyźnie. Nadal mamy ograniczone możliwości pomiaru owalności filamentu.

3-osiowy laserowy pomiar średnicy i owalności.

Laser 3-osiowy mikrometry laserowe. Włókna mierzone laserowymi mikromerami trójosiowymi pozwalają na pomiar owalności filamentu.

Zasadniczo rzecz ujmując zwiększanie ilości osi w których mikrometr laserowy dokonuje pomiaru zwiększamy dokładność pomiaru owalności filamentu.

Kluczowe zalety kontroli średnicy i owalności filamentu do drukarek3D.

• Certyfikacja drukowanej części i dostarczenie dokumentu potwierdzającego tolerancję średnicy i owalności filamentu.
• Gwarancja optymalnego druku bez zmian, które mogłyby wpłynąć na właściwości mechaniczne drukowanej części.
• Pełna identyfikowalność i powtarzalność parametrów drukowania dla każdej części.
• Zwiększona niezawodność drukowanych części 3D, przejawiająca się stałymi wiązaniami między warstwami, gwarantowanymi wymiarami i szybkością wypełnienia oraz stałą masą.