Filament w druku 3D FDM — wpływ jakości materiału na proces

W technologii FFF/FDM filament nie jest jedynie materiałem, który drukarka topi w głowicy. Pełni jednocześnie funkcję precyzyjnie dozowanego surowca oraz mechanicznego elementu układu podawania: napęd ekstrudera chwyta filament, przesuwa go z określoną prędkością i wykorzystuje jego sztywność do przekazywania siły potrzebnej do uplastycznienia oraz przetłoczenia polimeru przez hotend i dyszę.

Dlatego średnica, owalność, sztywność, odporność na wyboczenie i zginanie, tarcie powierzchniowe, wilgotność, właściwości cieplne, lepkość stopu oraz sposób nawinięcia mogą bezpośrednio wpływać na stabilność druku. Dwa filamenty wykonane z tego samego rodzaju polimeru mogą zachowywać się w tej samej drukarce zupełnie inaczej, jeżeli różnią się geometrią, formulacją, historią przetwarzania albo właściwościami reologicznymi.

W artykule analizujemy cały tor materiału z perspektywy drukarki: od szpuli i mechanizmu podającego, przez ściskanie filamentu, topienie, powstawanie ciśnienia i przepływ stopu, aż po rzeczywisty strumień wychodzący z dyszy i formowanie ścieżki. Pokazujemy również, które zaburzenia można częściowo skompensować ustawieniami drukarki, a które wynikają z właściwości samego filamentu i muszą zostać rozwiązane wcześniej – podczas jego przygotowania i produkcji.>

Filament w FFF/FDM – materiał i aktywny element układu podawania

Zgodnie z ISO/ASTM 52900:2021 technologie, w których materiał jest selektywnie dozowany przez dyszę lub inny otwór, należą do kategorii material extrusion – MEX [1]. Jedną z najczęściej stosowanych technologii tej grupy jest Fused Filament Fabrication – FFF, określana również powszechnie jako FDM.

W FFF filament jest rozwijany ze szpuli, chwytany przez mechanizm podający i przemieszczany w kierunku ogrzewanej części głowicy. W hotendzie materiał przechodzi stopniowo ze stanu stałego do silnie lepkiego stopu, a chłodniejsza część filamentu znajdująca się powyżej strefy topienia przekazuje siłę potrzebną do dalszego przetłaczania materiału [2–4].

Filament pełni więc jednocześnie dwie funkcje:

• jest surowcem – jego właściwości cieplne, mechaniczne, reologiczne i skład określają zachowanie materiału,
• jest elementem mechanicznym – musi skutecznie przenosić siłę od kół podających do strefy uplastyczniania.

Od ruchu filamentu do rzeczywistego strumienia tworzywa

Podstawową zależność łączącą geometrię filamentu z jego podawaniem można zapisać jako:

Q_in = A_f · v_f

gdzie:

• Q_in – objętościowy strumień materiału wprowadzanego do hotendu,
• A_f – pole przekroju filamentu,
• v_f – rzeczywista prędkość liniowa filamentu.

Dla filamentu o przekroju kołowym:

A_f = π · d² / 4

Model ten wyjaśnia, dlaczego zarówno średnica, jak i rzeczywisty ruch filamentu wpływają na ilość materiału trafiającego do głowicy.

W praktyce należy jednak uwzględnić możliwość poślizgu i niedoskonałego przeniesienia ruchu napędu. Rzeczywisty strumień można więc przedstawić bardziej ogólnie:

Q_in,eff = c_slip · A_f · v_f

gdzie c_slip opisuje efektywność rzeczywistego transportu filamentu. Podobne podejście wykorzystuje się w modelowaniu dynamiki ekstruzji FFF [7].

Jeżeli koło podające obraca się zgodnie z poleceniem sterownika, ale filament ślizga się lub jego powierzchnia jest ścierana, rzeczywisty strumień materiału może być mniejszy od wartości wynikającej z samego ruchu silnika.

Jak strumień filamentu przekłada się na geometrię drukowanej ścieżki?

W idealnym stanie ustalonym i przy zachowaniu masy strumień wpływający do hotendu powinien odpowiadać strumieniowi wychodzącemu z dyszy:

Q_out ≈ Q_in,eff

Jeżeli głowica przesuwa się z prędkością v_head, można bilansowo zapisać:

A_path ≈ Q_out / v_head

gdzie A_path oznacza efektywne pole przekroju zdeponowanej ścieżki.

Jest to model uproszczony – rzeczywisty kształt ścieżki zależy również od wysokości warstwy, średnicy dyszy, odległości od poprzedniej warstwy, zwilżania, deformacji stopu i warunków chłodzenia. Pokazuje jednak podstawową zależność:

Średnica filamentu wpływa na rzeczywistą dawkę materiału

Dla nominalnej średnicy 1,75 mm zmiana wymiaru ma większy wpływ na pole przekroju, niż może sugerować sama różnica średnicy.

Przykładowo:

• 1,80 mm oznacza około 5,8% większe pole przekroju niż 1,75 mm,
• 1,70 mm oznacza około 5,6% mniejsze pole przekroju.

Jeżeli drukarka przesunie taką samą długość filamentu, rzeczywista objętość materiału doprowadzona do hotendu będzie więc różna.

Badania dotyczące tolerancji średnicy filamentów wskazują na wpływ zmienności wymiarowej na rzeczywistą ilość podawanego materiału oraz stabilność procesu [5].

Stałe przesunięcie i lokalna zmienność są dwoma różnymi problemami

Jeżeli cała szpula ma bardzo stabilną średnicę, ale jej wartość jest nieznacznie przesunięta względem nominalnej, część błędu można skompensować prawidłową kalibracją przepływu.

Znacznie trudniejsza jest sytuacja, gdy średnica zmienia się na długości.

Jedna wartość korekcyjna nie może jednocześnie kompensować odcinków o średnicy 1,70, 1,75 i 1,80 mm.

Dlatego z punktu widzenia drukarki powtarzalność geometrii na całej długości jest szczególnie istotna.

Owalność – prawidłowa średnia nie gwarantuje prawidłowego przekroju

Filament może mieć przekrój niekołowy. Jeżeli przybliżymy go elipsą:

A = π · D₁ · D₂ / 4

Pomiar wykonany tylko w jednej osi może więc nie opisywać rzeczywistego pola przekroju.

Owalność ma również znaczenie mechaniczne. Podczas rozwijania filament może obracać się wokół własnej osi i przedstawiać prowadnicom, rurce PTFE lub wejściu do hotendu różny wymiar poprzeczny. Przy niewielkich luzach może to wpływać na tarcie i stabilność podawania.

Profesjonalny producent filamentu powinien więc kontrolować nie tylko średnią wartość średnicy, ale również jej zmienność, owalność i lokalne zaburzenia geometrii. W liniach SiTech3D takie zadanie może realizować głowica pomiarowa EdgeMetric 360, dostępna w konfiguracjach jedno-, dwu- i trzyosiowych i przeznaczona do ciągłej kontroli geometrii filamentu.

Sposób definiowania, pomiaru i dokumentowania średnicy, owalności oraz lokalnych defektów opisujemy szczegółowo w artykule Jakość filamentu do druku 3D – wady, pomiar i diagnostyka.

Koła ekstrudera muszą skutecznie przekazać siłę do filamentu

Mechanizm ekstrudera nie zasysa tworzywa do hotendu. Moment obrotowy silnika zostaje poprzez koło lub koła napędowe przekształcony w siłę osiową działającą na filament.

Zdolność do jej przeniesienia zależy między innymi od:

• momentu napędu,
• promienia efektywnego koła podającego,
• siły docisku,
• geometrii powierzchni napędowej,
• tarcia pomiędzy kołem i filamentem,
• twardości i podatności powierzchni materiału.

Fischer i wsp. wykazali eksperymentalnie, że siła podawania i wymagany docisk są kluczowe dla stabilnego transportu, a wzrost prędkości podawania może doprowadzić do przejścia w obszar gwałtownie rosnącej i bardziej niestabilnej siły ekstruzji [3].

Zbyt mały docisk może powodować poślizg. Zbyt duży może z kolei silnie odkształcać miękki filament albo powodować jego nadmierne nacinanie przez zęby koła.

Filament przed strefą topienia pracuje jak ściskana kolumna

Opór przepływu stopu powoduje powstanie siły skierowanej przeciwnie do ruchu filamentu. Chłodny odcinek materiału znajdujący się pomiędzy napędem a strefą uplastyczniania jest więc obciążony osiowo na ściskanie.

Dla idealizowanego modelu krytyczną siłę wyboczenia można przedstawić równaniem Eulera:

F_cr = π² · E · I / (K · L)²

gdzie:

• E – moduł sprężystości materiału,
• I – geometryczny moment bezwładności przekroju,
• L – długość efektywnego niepodpartego odcinka,
• K – współczynnik zależny od warunków podparcia.

Dla kołowego filamentu:

I = π · d⁴ / 64

Model pokazuje dwie bardzo ważne zależności:

• odporność na wyboczenie silnie maleje wraz ze wzrostem niepodpartej długości,
• moment bezwładności przekroju kołowego zależy od czwartej potęgi średnicy.

W rzeczywistej drukarce filament nie jest idealną kolumną Eulera – jest podparty w prowadnicach, jego temperatura zmienia się w kierunku hotendu, a polimer ma właściwości lepkosprężyste. Model dobrze pokazuje jednak, dlaczego krótkie i ciasne prowadzenie ma szczególne znaczenie dla materiałów elastycznych [2].

Printability jest kompromisem pomiędzy sztywnością filamentu i oporem przepływu

Wysoka sztywność filamentu sama w sobie nie gwarantuje poprawnego drukowania.

Napęd musi wygenerować siłę większą od oporów powstających w hotendzie, ale filament musi jednocześnie pozostać stabilny mechanicznie.

Jeżeli materiał po stopieniu ma dużą lepkość, wymagane ciśnienie i siła rosną. Jeżeli jednocześnie chłodny filament ma niewielką sztywność, może dojść do wyboczenia zanim wymagane ciśnienie zostanie osiągnięte.

Dlatego literatura dotycząca projektowania materiałów do FFF rozpatruje drukowalność jako relację pomiędzy właściwościami mechanicznymi filamentu i reologią stopu [2].

Filamenty elastyczne – dlaczego krótki tor podawania pomaga?

TPU, TPE i inne elastyczne filamenty mają znacznie mniejszą sztywność od typowego PLA czy ABS.

Dlatego korzystne są:

• krótka droga od koła napędowego do hotendu,
• ciągłe boczne prowadzenie filamentu,
• minimalne szczeliny, w które materiał mógłby się wygiąć,
• odpowiednio dobrany docisk,
• ograniczenie wymaganej siły poprzez właściwą temperaturę i umiarkowany przepływ.

Długi tor Bowdena może działać poprawnie, jeżeli filament jest właściwie podparty, ale zwiększa długość i złożoność mechanicznego toru transportowego. Dlatego bardzo miękkie materiały są z reguły prostsze do kontrolowania w układach o krótkiej drodze podawania.

Filament musi być sztywny, ale nie może być nadmiernie kruchy

Filament musi nie tylko przenosić ściskanie. Musi również zostać nawinięty na szpulę, przechowywany w stanie zakrzywionym, rozwinięty i poprowadzony przez drukarkę.

Właściwość tę literatura określa między innymi jako spoolability [2].

Problem kruchości może występować szczególnie w materiałach:

• wysoko napełnionych,
• wzmacnianych włóknami,
• z dużym udziałem proszków,
• zdegradowanych termicznie lub hydrolitycznie,
• opartych na naturalnie sztywnej i kruchej osnowie.

Dobry filament powinien więc znajdować się w odpowiednim oknie mechanicznym:

sztywność do podawania + odporność na zginanie do nawijania i rozwijania.

Szpula i prowadzenie filamentu wpływają na obciążenie ekstrudera

Napęd musi pokonać nie tylko opór hotendu. Dodatkowe obciążenia powstają wcześniej.

Znaczenie mają między innymi:

• opory obrotu szpuli,
• jej masa i moment bezwładności,
• aktualny promień nawoju,
• sposób ułożenia zwojów,
• kąty i promienie prowadzenia,
• tarcie w rurkach i prowadnicach,
• zakleszczenie lub skrzyżowanie zwojów.

Dlatego jakość nawoju nie jest wyłącznie kwestią wyglądu. Jest funkcjonalną cechą filamentu wpływającą na powtarzalność jego dostarczania do drukarki.

Hotend ma skończoną zdolność dostarczania ciepła

Temperatura ustawiona na ekranie drukarki nie oznacza, że cały przekrój filamentu natychmiast osiąga tę samą temperaturę.

Ciepło musi zostać przekazane od gorących powierzchni w kierunku wnętrza materiału. Charakterystyczny czas przewodzenia ciepła rośnie w przybliżeniu z kwadratem charakterystycznego wymiaru:

t ∝ r² / α

gdzie α oznacza dyfuzyjność cieplną polimeru.

Wraz ze wzrostem przepływu zmniejsza się czas przebywania materiału w gorącej strefie. Jeżeli rdzeń filamentu nie zostanie dostatecznie ogrzany, wzrasta jego efektywna lepkość i siła potrzebna do dalszego przepływu.

Średnice 1,75 i 2,85 mm tworzą różne warunki topienia

Filament 2,85 mm ma większą drogę przewodzenia ciepła do rdzenia, ale jednocześnie dla tego samego strumienia objętościowego porusza się osiowo wolniej niż filament 1,75 mm.

Nie można więc oceniać obu średnic tylko jednym argumentem.

Badania Wüst i wsp. z 2026 r. pokazały, że wpływ długości strefy topienia zależy od średnicy filamentu [6].

W badanej konfiguracji PLA:

• dla 2,85 mm zwiększanie długości strefy topienia zwiększało osiągalny przepływ w całym badanym zakresie,
• dla 1,75 mm pojawiło się optimum – po jego przekroczeniu dodatkowe straty lepkościowe przewyższały korzyści wynikające z wydłużenia strefy ogrzewania.

Badanie pokazuje, że wydajność hotendu wynika z kompromisu:

transfer ciepła ↔ opory lepkościowe.

Przy dużym przepływie rośnie siła potrzebna do ekstruzji

Przy małym i umiarkowanym strumieniu materiał może przebywać w strefie grzania wystarczająco długo, aby zostać właściwie uplastyczniony.

Wraz ze wzrostem prędkości podawania:

• maleje czas nagrzewania,
• rośnie przepływ przez dyszę,
• rośnie spadek ciśnienia,
• rośnie wymagana siła ekstrudera.

Fischer i wsp. wykazali eksperymentalnie przejście z zakresu stosunkowo stabilnej ekstruzji do obszaru, w którym wraz ze wzrostem prędkości gwałtownie rosła zarówno siła, jak i jej zmienność [3].

Dlatego dla konkretnego układu materiał–hotend–dysza istnieje praktyczne okno stabilnego przepływu.

Reologia – filament PLA nie jest zdefiniowany jedną wartością MFR

Po stopieniu polimer zachowuje się jak płyn o właściwościach zależnych od temperatury, szybkości ścinania, struktury molekularnej oraz dodatków.

Większość termoplastów stosowanych w FFF jest nienewtonowska i wykazuje shear thinning – lepkość pozorna maleje wraz ze wzrostem szybkości ścinania [4].

W dyszy szybkości ścinania mogą znacząco różnić się od warunków odpowiadających prostemu badaniu wskaźnika płynięcia. Dlatego MFR/MVR jest użytecznym parametrem porównawczym, ale nie opisuje pełnej charakterystyki reologicznej materiału.

W bardziej zaawansowanym rozwoju filamentów wykorzystuje się między innymi:

• reometrię kapilarną,
• reometrię rotacyjną,
• modele reologiczne opisujące zmianę lepkości wraz z szybkością ścinania,
• badania stabilności reologicznej w czasie i temperaturze.

Przegląd Acierno i Patti wskazuje, że właściwości reologiczne wpływają kolejno na możliwość przepływu przez dyszę, zachowanie zdeponowanej ścieżki oraz tworzenie połączenia pomiędzy warstwami [4].

Ruch ekstrudera i wypływ z dyszy nie są synchroniczne w stanach przejściowych

W stanie ustalonym można przyjąć, że średni strumień wpływający do hotendu odpowiada średniemu strumieniowi wychodzącemu.

Podczas gwałtownych zmian prędkości założenie to przestaje być wystarczające.

W układzie występują:

• narastanie i spadek ciśnienia,
• sprężyste i lepkosprężyste odkształcenia materiału,
• zmiana temperatury efektywnej przy zmianie czasu przebywania,
• poślizg w układzie podawania,
• nieliniowa zależność lepkości od temperatury i szybkości ścinania.

Kunz, Mößner i Werner wykazali eksperymentalnie w 2026 r., że gwałtowne zmniejszenie prędkości ruchu może powodować opóźnione zmniejszenie strumienia i lokalną nadekstruzję, natomiast szybkie zwiększenie prędkości może powodować przejściową niedoekstruzję [7].

Pressure Advance pomaga kompensować dynamikę, ale nie zmienia właściwości materiału

Algorytmy typu Pressure Advance lub Linear Advance modyfikują profil ruchu ekstrudera tak, aby częściowo kompensować narastanie i zanikanie ciśnienia w układzie.

Są bardzo użyteczne, lecz ich modele są uproszczone. Współczynniki zależą między innymi od materiału, temperatury, przepływu i konstrukcji hotendu.

Badania dynamiki FFF wskazują, że odpowiedź rzeczywistego układu nie jest w pełni opisywana przez prosty model ze stałymi parametrami [7].

Retrakcja i stringing również zależą od materiału

Retrakcja nie usuwa całego stopu z dyszy. Jej zadaniem jest przede wszystkim zmniejszenie ciśnienia w układzie i ograniczenie dalszego niekontrolowanego wypływu.

Skuteczność retrakcji zależy między innymi od:

• lepkości stopu,
• jego właściwości lepkosprężystych,
• temperatury,
• długości i podatności toru podawania,
• geometrii hotendu,
• wilgotności i obecności składników lotnych.

Dlatego dwa filamenty drukowane na tej samej maszynie mogą wymagać różnych nastaw retrakcji nawet wtedy, gdy oba należą do tej samej ogólnej grupy polimerów.

Wilgoć może zmieniać zarówno proces, jak i właściwości części

Wpływ wilgoci zależy od rodzaju polimeru i nie powinien być opisywany jedną regułą dla wszystkich filamentów.

W zależności od materiału mogą wystąpić:

• pęcherze i składniki gazowe w stopie,
• niestabilny wypływ,
• pogorszenie jakości powierzchni,
• zmiana lepkości,
• degradacja hydrolityczna,
• pogorszenie właściwości mechanicznych części.

Badania Hamrol i wsp. dla ABS wykazały mierzalny związek pomiędzy zawartością wilgoci filamentu a właściwościami mechanicznymi i powierzchnią elementów wykonywanych metodą FFF [8].

W kolejnym badaniu tego zespołu, dla konkretnego ABS i określonych warunków eksperymentalnych, zwiększenie zawartości wilgoci wiązało się między innymi ze znaczącym pogorszeniem właściwości mechanicznych [9].

Wyników ilościowych uzyskanych dla ABS nie należy bezpośrednio przenosić na PLA, PETG, PA, TPU, PEEK ani inne polimery.

Suszenie i magazynowanie są elementem przygotowania filamentu do druku

Nie istnieje jedna właściwa temperatura ani czas suszenia dla „filamentu 3D”.

Warunki zależą między innymi od:

• gatunku polimeru,
• początkowej wilgotności,
• wrażliwości na temperaturę,
• czasu suszenia,
• punktu rosy i przepływu powietrza w suszarce,
• sposobu przechowywania po wysuszeniu.

Dla materiałów silnie higroskopijnych istotne może być również drukowanie bezpośrednio z kontrolowanego, suchego środowiska podczas długich procesów.

Filamenty kompozytowe są nowymi układami materiałowymi

Dodanie włókien, proszków mineralnych, metali lub innych faz funkcjonalnych zmienia więcej niż właściwości gotowej części.

Zmieniać mogą się również:

• sztywność filamentu,
• kruchość,
• tarcie,
• gęstość,
• przewodnictwo cieplne,
• lepkość i charakter shear thinning,
• ścieralność,
• spoolability,
• ryzyko aglomeracji i blokowania dyszy.

Nie należy przyjmować, że każdy napełniacz musi zawsze zwiększać lepkość w ten sam sposób. Efekt zależy od rodzaju osnowy, udziału, wielkości, kształtu, orientacji i dyspersji fazy stałej [4].

Filament kompozytowy należy więc traktować jak nowy układ materiałowy, a nie wyłącznie bazowy polimer z dodatkiem napełniacza.

Włókna mogą tworzyć mostki w zwężeniu dyszy

W materiałach wzmacnianych krótkimi włóknami istotna jest nie tylko średnica pojedynczego włókna.

Zhang i wsp. wykazali za pomocą modelu CFD–DEM zweryfikowanego danymi µCT, że skłonność do blokowania dyszy wzrastała wraz z długością włókien i ich udziałem objętościowym. Lepkość osnowy również wpływała na zjawisko [10].

Włókna mogą tworzyć lokalne skupiska i mostki w zwężającej się części dyszy.

Dlatego przy filamentach wzmacnianych znaczenie mają:

• rozkład długości włókien,
• ich udział objętościowy lub masowy,
• dyspersja,
• lepkość osnowy,
• geometria i średnica dyszy.

Osobną grupą są wysoko napełnione filamenty metalowe przeznaczone do dalszego usuwania spoiwa i spiekania. Ich technologię opisujemy w artykule Filament metalowy do druku 3D – materiał, proces i wyzwania produkcyjne.

Materiały ścierne zmieniają również stan techniczny dyszy

Włókna szklane, włókna węglowe oraz część napełniaczy mineralnych mogą powodować zużycie ścierne dyszy.

Zmiana rzeczywistej średnicy i geometrii zużytej dyszy może z czasem wpływać na przepływ oraz geometrię ścieżki. Przy materiałach abrazyjnych dobór materiału dyszy jest więc częścią konfiguracji procesu.

Właściwości filamentu wpływają także na połączenie kolejnych ścieżek i warstw

Po opuszczeniu dyszy świeży materiał styka się z wcześniej zdeponowaną ścieżką. Powstanie dobrego połączenia wymaga odpowiedniego kontaktu i mobilności łańcuchów polimerowych na granicy obu materiałów.

Znaczenie mają między innymi:

• temperatura nowej ścieżki,
• temperatura poprzedniej warstwy,
• lepkość i relaksacja materiału,
• czas pozostawania interfejsu w odpowiednio wysokiej temperaturze,
• chłodzenie,
• krystalizacja w polimerach półkrystalicznych.

Literatura wskazuje, że dla silnego połączenia potrzebny jest rozwój kontaktu oraz dyfuzja i splątanie łańcuchów polimerowych przez interfejs [11].

Nie oznacza to jednak, że właściwości filamentu same determinują wytrzymałość części. Równie istotne pozostają temperatura, geometria ścieżek, orientacja części, wysokość warstwy, chłodzenie i warunki termiczne całego wydruku.

Co drukarka może skompensować, a czego nie?

Nie każdy problem z wydrukiem oznacza wadę filamentu

Ten sam objaw może mieć kilka przyczyn. Dlatego diagnostyka powinna rozdzielać materiał, mechanikę drukarki i parametry procesu.

Powtarzalny filament zmniejsza liczbę zakłóceń procesu

Nowoczesne drukarki coraz skuteczniej kompensują dynamikę ekstrudera, drgania i część zmian przepływu. Nie zmienia to jednak podstawowej zasady sterowania procesem:

im bardziej powtarzalny materiał wejściowy, tym mniej zakłóceń musi kompensować drukarka.

Sterownik może zmienić temperaturę, prędkość lub ruch ekstrudera. Nie może jednak:

• usunąć wtrącenia znajdującego się już w filamencie,
• przywrócić pierwotnej struktury zdegradowanemu polimerowi,
• usunąć wewnętrznej pustki,
• wyrównać lokalnie zmiennego udziału napełniacza,
• przewidzieć niezmierzonego zgrubienia, które dopiero dotrze do hotendu.

Od problemu w drukarce do kontroli jakości filamentu

Jeżeli problem wynika z geometrii, wilgotności, jednorodności lub struktury filamentu, jego źródło znajduje się wcześniej niż sam proces drukowania.

Sposób definiowania, pomiaru i dokumentowania takich cech opisujemy w artykule Jakość filamentu do druku 3D – wady, pomiar i diagnostyka.

Cały proces technologiczny prowadzący od granulatu do gotowej szpuli przedstawiamy natomiast w materiale Produkcja filamentu 3D – wymagania procesu i linii technologicznej.

Powtarzalność w drukarce zaczyna się podczas produkcji filamentu

Geometria, jednorodność, stan polimeru, właściwości reologiczne, wilgotność i jakość nawoju nie powstają w drukarce. Są wynikiem całej technologii przygotowania i wytwarzania filamentu.

Rys. 1. Przemysłowa linia SiTech3D do produkcji filamentu. Właściwości obserwowane później w drukarce są rezultatem przygotowania surowca, wytłaczania, formowania, chłodzenia, kontroli geometrii i nawijania.

Przykładem kompletnego rozwiązania jest linia SiTech3D do produkcji filamentu z wytłaczarką LE-1SF 32 mm. Aktualna konfiguracja obejmuje między innymi specjalizowaną wytłaczarkę jednoślimakową, pompę stopionego tworzywa, głowicę formującą, ciepłą i zimną wannę chłodzącą, pomiar średnicy, odciąg, magazyn filamentu i nawijarkę, a maksymalna prędkość liniowa linii wynosi 150 m/min.

Kluczowym elementem przygotowania stabilnego stopu jest odpowiednio dobrany układ uplastyczniający. SiTech3D rozwija w tym celu wytłaczarkę do filamentów LE-1SF 32 mm, zaprojektowaną jako wyspecjalizowane urządzenie badawczo-produkcyjne do filamentów, z możliwością współpracy z dozownikami grawimetrycznymi i pompą stopu.

Szczegółowo zależności pomiędzy konstrukcją wytłaczarki, geometrią ślimaka, homogenizacją, momentem, obrotami i stabilnością stopu opisujemy w artykule Wytłaczarka do filamentu – dobór układu uplastyczniającego i LE-1SF 32 mm.

Linia do produkcji filamentu powinna wynikać z wymagań materiału

Nie istnieje jedna konfiguracja odpowiednia dla każdego filamentu. Innych warunków wymagają standardowe polimery termoplastyczne, innych materiały elastyczne, higroskopijne, wysoko napełnione czy kompozyty wzmacniane włóknami.

Dlatego dobór urządzeń powinien uwzględniać między innymi:

• rodzaj polimeru i jego reologię,
• higroskopijność i sposób przygotowania materiału,
• rodzaj oraz udział dodatków i napełniaczy,
• wymaganą jednorodność stopu,
• docelową wydajność,
• wymaganą dokładność i sposób kontroli geometrii,
• warunki chłodzenia,
• sposób odbioru i konfekcjonowania gotowego filamentu.

Przegląd dostępnych konfiguracji znajduje się w dziale linie do produkcji filamentów do drukarek 3D. Dla zastosowań seryjnych dostępne są również linie produkcyjne filamentów do drukarek 3D, konfigurowane zależnie od materiału, oczekiwanej wydajności i wymagań jakościowych.

Podsumowanie – filament jest częścią układu technologicznego FFF

Filament nie jest biernym włóknem tworzywa, którego jedyną rolą jest stopienie się w zadanej temperaturze.

Jego pole przekroju decyduje o objętości materiału przypadającej na jednostkę długości. Sztywność i geometria określają zdolność przenoszenia siły podawania. Odporność na zginanie decyduje o możliwości nawijania i rozwijania. Właściwości cieplne wpływają na szybkość ogrzewania, a reologia – na ciśnienie i siłę potrzebną do przepływu przez dyszę.

Przy drukowaniu dynamicznym pojawia się dodatkowo odpowiedź czasowa układu: zmiana prędkości filamentu nie powoduje natychmiast identycznej zmiany strumienia wychodzącego z dyszy. Dlatego nowoczesne algorytmy sterowania mogą poprawiać zachowanie procesu, ale ich skuteczność nadal zależy od powtarzalności materiału.

Wilgoć, degradacja, lokalne zanieczyszczenia, niejednorodność formulacji i wadliwy nawój tworzą natomiast zakłócenia, których drukarka nie jest w stanie w pełni skompensować.

Dlatego zamiast pytać wyłącznie:

„czy filament ma średnicę 1,75 mm?”

warto zadać znacznie bardziej techniczne pytanie:

„czy kolejne metry tego filamentu mają wystarczająco powtarzalne właściwości geometryczne, mechaniczne, cieplne i reologiczne, aby układ podawania, hotend i sterowanie drukarki mogły utrzymywać stabilny strumień materiału i powtarzalną geometrię ścieżki?”

Literatura i źródła

1. ISO/ASTM 52900:2021, Additive manufacturing — General principles — Fundamentals and vocabulary, ISO/ASTM, 2021.
2. Sola A., „Materials Requirements in Fused Filament Fabrication: A Framework for the Design of Next-Generation 3D Printable Thermoplastics and Composites”, Macromolecular Materials and Engineering, 2022, 307(10), 2200197. DOI: 10.1002/mame.202200197.
3. Fischer J., Echsel M., Springer P. i wsp., „In-line measurement of extrusion force and use for nozzle comparison in filament based additive manufacturing”, Progress in Additive Manufacturing, 2023, 8, 9–17. DOI: 10.1007/s40964-022-00385-5.
4. Acierno D., Patti A., „Fused Deposition Modelling (FDM) of Thermoplastic-Based Filaments: Process and Rheological Properties—An Overview”, Materials, 2023, 16(24), 7664. DOI: 10.3390/ma16247664.
5. Cardona C., Curdes A.H., Isaacs A.J., „Effects of Filament Diameter Tolerances in Fused Filament Fabrication”, IU Journal of Undergraduate Research, 2016, 2(1), 44–47. DOI: 10.14434/iujur.v2i1.20917.
6. Wüst P., Kattinger J., Dahmen F., Spiehl D., Bonten C., Blaeser A., „High-Throughput Fused Filament Fabrication of PLA: Effects of Melting Zone Length and Filament Diameter on Extrusion Force and Volumetric Flow Rate”, Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2026, 10(7), 233. DOI: 10.3390/jmmp10070233.
7. Kunz B., Mößner K., Werner R., „Measurement, modeling, and control of extrusion dynamics in FFF 3D printing”, Progress in Additive Manufacturing, 2026, 11, 6541–6554. DOI: 10.1007/s40964-026-01557-3.
8. Hamrol A., Góralski B., Wichniarek R., Kuczko W., „The Natural Moisture of ABS Filament and Its Influence on the Quality of FFF Products”, Materials, 2023, 16(3), 938. DOI: 10.3390/ma16030938.
9. Hamrol A., Góralski B., Wichniarek R., „The Influence of Moisture Absorption and Desorption by the ABS Filament on the Properties of Additively Manufactured Parts Using the Fused Deposition Modeling Method”, Materials, 2024, 17(9), 1988. DOI: 10.3390/ma17091988.
10. Zhang H., Zhang L., Zhang H., Wu J., An X., Yang D. i wsp., „Fibre bridging and nozzle clogging in 3D printing of discontinuous carbon fibre-reinforced polymer composites: coupled CFD-DEM modelling”, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2021, 117, 3549–3562. DOI: 10.1007/s00170-021-07913-7.
11. Gao X., Qi S., Kuang X., Su Y., Li J., Wang D., „Fused filament fabrication of polymer materials: A review of interlayer bond”, Additive Manufacturing, 2021, 37, 101658. DOI: 10.1016/j.addma.2020.101658.
12. SiTech3D Sp. z o.o. – wiedza własna, badania i doświadczenia technologiczne. Materiał opracowano z wykorzystaniem doświadczeń związanych z produkcją i badaniem filamentów, projektowaniem laboratoryjnych oraz przemysłowych linii do ich wytwarzania, analizą wad materiałowych oraz zależności pomiędzy geometrią i właściwościami filamentu a jego zachowaniem podczas przetwarzania w technologii FFF/FDM.