Filament do drukarki 3D – od tego zależy jakość Twojego produktu.

Jakość filamentu do druku 3D nie sprowadza się do jego nominalnej średnicy. Filament jest precyzyjnym półproduktem technicznym, a jego geometria, jednorodność materiałowa, zawartość wilgoci, historia cieplna oraz sposób nawinięcia mogą bezpośrednio wpływać na stabilność procesu FFF/FDM i jakość wytwarzanych części.

Dwa filamenty wykonane z tego samego rodzaju polimeru i mające średnicę nominalną 1,75 mm mogą znacząco różnić się jakością. Różnice mogą dotyczyć owalności, krótkookresowych zmian średnicy, jednorodności formulacji, obecności porów i wtrąceń, stopnia degradacji polimeru czy powtarzalności właściwości na całej długości szpuli.

Dlatego jakość filamentu powstaje w całym procesie technologicznym – od przygotowania i dozowania surowca, przez uplastycznianie, homogenizację i formowanie stopu, aż po chłodzenie, pomiar geometrii, odciąg i nawijanie. W artykule pokazujemy, które parametry mają największe znaczenie, jak rozpoznawać typowe wady filamentu i gdzie szukać ich przyczyn.

Co naprawdę decyduje o jakości filamentu do druku 3D?

Filament może wyglądać na prosty produkt – ciągłe włókno tworzywa o określonej średnicy, nawinięte na szpulę. Z technologicznego punktu widzenia jest jednak precyzyjnym ekstrudatem, którego jakość jest wynikiem współpracy wielu procesów zachodzących kolejno w całej linii produkcyjnej.

Nie wystarczy zatem stwierdzić, że filament ma średnicę nominalną 1,75 mm lub 2,85 mm. Profesjonalna ocena jakości powinna uwzględniać jednocześnie:

• średnicę i jej zmienność w czasie,
• owalność i rzeczywistą geometrię przekroju,
• jednorodność materiałową formulacji,
• jednorodność termiczną stopu,
• zawartość wilgoci i historię przetwórstwa materiału,
• obecność porów, pęcherzy, wtrąceń i innych defektów,
• jakość powierzchni,
• stabilność właściwości na całej długości filamentu,
• powtarzalność pomiędzy kolejnymi szpulami i partiami produkcyjnymi,
• jakość nawinięcia i zachowanie filamentu podczas rozwijania.

Jakość filamentu powstaje w całej linii technologicznej

Geometria gotowego filamentu nie jest określana wyłącznie przez średnicę otworu głowicy wytłaczarskiej. Po opuszczeniu głowicy stop polimeru nadal ulega deformacji, jest rozciągany, chłodzony i stabilizowany wymiarowo. Na końcowy rezultat wpływają właściwości reologiczne materiału, wydajność wytłaczarki, warunki formowania, chłodzenie oraz prędkość i stabilność odciągu.

Proces należy więc traktować jako jeden powiązany układ:

surowiec → przygotowanie → dozowanie → uplastycznianie i homogenizacja → głowica → chłodzenie → pomiar → odciąg → nawijanie.

Zakłócenie występujące na początku tego łańcucha może ujawnić się dopiero kilka etapów później jako zmiana średnicy, pęcherz, niejednorodność powierzchni lub pogorszenie stabilności nawijania.

Rys. 1. Linia do produkcji filamentu. Stabilność jakości produktu jest wynikiem współpracy wytłaczarki, głowicy, chłodzenia, pomiaru geometrii, odciągu i układu nawijania.

Średnica nominalna to nie wszystko – znaczenie zmienności i owalności

Jednym z podstawowych parametrów filamentu jest jego pole przekroju, ponieważ określa ono ilość materiału przypadającą na określoną długość włókna. Przy przekroju kołowym pole to rośnie z kwadratem średnicy.

Oznacza to, że stosunkowo niewielka zmiana średnicy może powodować znacznie większą procentowo zmianę pola przekroju. Przykładowo wzrost średnicy z 1,75 do 1,80 mm oznacza wzrost pola przekroju o około 5,8%, jeżeli filament pozostaje idealnie okrągły.

W praktyce sytuację dodatkowo komplikuje owalność. Dwa pomiary wykonane tylko w jednym kierunku mogą nie ujawnić rzeczywistego kształtu przekroju. Dlatego przy wysokich wymaganiach jakościowych istotny jest pomiar wieloosiowy, pozwalający oceniać zarówno średnicę, jak i niekołowość produktu.

Na stabilność geometrii wpływają m.in.:

• powtarzalność dozowania materiału,
• stabilność wydajności wytłaczarki,
• lepkość i temperatura stopu,
• stabilność ciśnienia przed głowicą,
• geometria głowicy,
• zjawiska zachodzące po wyjściu stopu z dyszy,
• intensywność i równomierność chłodzenia,
• prędkość i stabilność odciągu,
• napięcie generowane podczas nawijania.

Dlatego poprawa dokładności tylko jednego elementu linii nie gwarantuje automatycznie odpowiedniej tolerancji gotowego filamentu.

Rys. 2. Eksperymentalny kompozytowy filament PLA zawierający suszony i zmielony materiał pochodzący z odpadów z przetwórstwa pomidorów. Widoczne są zmiany geometrii, owalność, niejednorodność struktury oraz pęcherze. Przykład pokazuje różnicę pomiędzy możliwością przetworzenia materiału metodą FFF/FDM a uzyskaniem powtarzalnego filamentu spełniającego wymagania produktu komercyjnego.

Jednorodność materiałowa filamentu

W przypadku materiału jednoskładnikowego zadaniem układu uplastyczniającego jest uzyskanie jednorodnego stopu bez nieprzetopionych fragmentów, zanieczyszczeń i lokalnych różnic wynikających z niestabilnego przetwarzania.

W przypadku formulacji barwionych, modyfikowanych lub kompozytowych wymagania są większe. Pigment, masterbatch, modyfikator, włókno lub inny napełniacz powinny być rozprowadzone w materiale w sposób odpowiadający specyfikacji produktu.

Niejednorodność może powodować lokalne różnice:

• barwy,
• lepkości stopu,
• właściwości mechanicznych,
• właściwości funkcjonalnych,
• zachowania filamentu podczas ponownego przetwarzania w drukarce.

Dlatego ocena jednorodności powierzchni nie zawsze wystarcza. Część defektów można zobaczyć dopiero na przekroju filamentu.

Rys. 3. Przekrój kompozytowego filamentu PLA. Widoczna jest duża pustka wewnętrzna z fragmentem włókna oraz niejednorodna struktura przełomu. Defekt pokazuje, dlaczego pomiar zewnętrznej średnicy nie daje pełnej informacji o strukturze produktu.

Rys. 4. Przykład barwionego filamentu PLA o dobrej geometrii przekroju. W części centralnej widoczna jest niewielka lokalna niejednorodność.

Rys. 5. Przykład filamentu ABS o dobrej okrągłości i zasadniczo jednorodnej strukturze. W górnej części przekroju można zauważyć niewielką lokalną niejednorodność.

Rys. 6. Przykład filamentu ASA o prawidłowej geometrii przekroju, ale z widocznymi lokalnymi wtrąceniami o odmiennym wyglądzie. Przykład potwierdza, że prawidłowa średnica i okrągłość nie gwarantują jeszcze pełnej jednorodności materiałowej.

Jednorodność termiczna stopu – temperatura zadana nie jest temperaturą materiału

Jednym z częstych uproszczeń w ocenie procesu wytłaczania jest utożsamianie temperatur zadanych w poszczególnych strefach cylindra z rzeczywistą temperaturą stopionego polimeru.

Są to różne wielkości.

Polimer otrzymuje energię zarówno z układu ogrzewania cylindra, jak i w wyniku pracy mechanicznej ślimaka oraz ścinania materiału. Rzeczywisty stan termiczny stopu zależy więc nie tylko od ustawionej temperatury, ale również od:

• rodzaju i lepkości materiału,
• geometrii ślimaka,
• prędkości obrotowej,
• wydajności,
• stopnia wypełnienia kanału ślimaka,
• ciśnienia,
• czasu przebywania materiału w układzie.

Istotna jest również jednorodność temperatury w przekroju strumienia. Jeżeli poszczególne części stopu różnią się temperaturą, różnią się także lepkością. Może to wpływać na rozkład prędkości przepływu w głowicy oraz stabilność wytłaczanego produktu.

Dlatego zadaniem dobrze zaprojektowanego układu uplastyczniającego nie jest tylko „stopienie granulatu”. Powinien on dostarczać do głowicy możliwie stabilny, jednorodny materiał w warunkach odpowiednich dla konkretnego polimeru i formulacji.

Niepełne uplastycznienie, przegrzewanie i degradacja

Zbyt mała ilość energii doprowadzonej do materiału może powodować niepełne uplastycznienie. Nieprzetopione cząstki lub lokalnie niejednorodny materiał mogą następnie przechodzić przez głowicę i ujawniać się jako defekty powierzchni albo struktury filamentu.

Przeciwna sytuacja – nadmierna temperatura lub zbyt długa historia cieplna – również jest niekorzystna. Polimery mogą ulegać degradacji termicznej, oksydacyjnej, hydrolitycznej lub innym mechanizmom zależnym od ich budowy chemicznej i warunków procesu.

Nie powinno się więc mówić o jednej uniwersalnej „temperaturze topnienia procesu”. Dla technologii wytłaczania należy rozróżniać m.in. właściwości termiczne materiału oraz rzeczywistą temperaturę stopu i nastawy poszczególnych stref urządzenia.

W praktyce celem jest znalezienie takiego okna procesowego, które zapewnia pełne uplastycznienie i odpowiednią homogenizację przy możliwie ograniczonej degradacji materiału.

Wilgoć – jeden z najważniejszych parametrów surowca

Dla wielu materiałów zawartość wilgoci przed wytłaczaniem ma bezpośrednie znaczenie technologiczne. Problem nie ogranicza się do pęcherzy widocznych na powierzchni filamentu.

W polimerach podatnych na hydrolizę obecność wody w warunkach podwyższonej temperatury może przyspieszać zmiany struktury cząsteczkowej materiału. Może się to przełożyć na zmianę lepkości, właściwości reologicznych i mechanicznych, a więc także na zachowanie stopu podczas formowania filamentu.

Dlatego przy materiałach wrażliwych na wilgoć należy kontrolować cały tor materiałowy:

• warunki magazynowania,
• suszenie odpowiednie dla konkretnego gatunku,
• transport po suszeniu,
• czas przebywania w zasobniku,
• możliwość ponownego pochłaniania wilgoci przed wytłaczarką.

Ciśnienie stopu – ważny sygnał diagnostyczny, ale nie samodzielna odpowiedź

Pomiar ciśnienia stopu przed głowicą dostarcza bardzo wartościowych informacji o stanie procesu. Zmiany ciśnienia mogą być związane m.in. ze zmianą lepkości materiału, zasilania, prędkości ślimaka, temperatury, wydajności, oporów głowicy lub filtracji.

Nie należy jednak interpretować wahań ciśnienia jako bezpośredniego i jednoznacznego pomiaru jednorodności stopu.

Znacznie większą wartość diagnostyczną daje równoczesna analiza:

• ciśnienia stopu,
• temperatury stopu,
• prędkości obrotowej ślimaka,
• momentu obrotowego lub obciążenia napędu,
• wydajności dozowania,
• prędkości odciągu,
• średnicy i owalności filamentu.

Jeżeli w tym samym czasie pojawia się okresowa zmiana ciśnienia i okresowa zmiana średnicy, powstaje podstawa do poszukiwania przyczyny we wcześniejszej części procesu.

Pompa stopionego tworzywa – kiedy może pomóc?

W wybranych aplikacjach pomiędzy wytłaczarką a głowicą może być stosowana pompa stopionego tworzywa. Jej rolą może być poprawa stabilności przepływu i ciśnienia stopu doprowadzanego do głowicy.

Nie należy jednak traktować pompy jako urządzenia, które automatycznie rozwiązuje każdy problem ze średnicą filamentu. Nie zastąpi ona prawidłowego przygotowania surowca, stabilnego dozowania, właściwego uplastyczniania, odpowiedniego chłodzenia ani dobrze pracującego odciągu.

Jej zastosowanie powinno wynikać z charakterystyki konkretnego materiału, wymaganej wydajności, tolerancji produktu i dynamiki całego procesu.

Chłodzenie – etap formowania, a nie tylko odbierania ciepła

Filament po opuszczeniu głowicy nadal jest produktem formowanym. Jego temperatura, lepkość i stan strukturalny zmieniają się podczas przechodzenia przez układ chłodzenia.

Zbyt gwałtowne, zbyt słabe lub nierównomierne chłodzenie może oddziaływać na stabilność geometrii. Znaczenie mają m.in. temperatura medium chłodzącego, długość strefy chłodzenia, położenie pierwszego kontaktu z medium oraz prędkość przemieszczania się filamentu.

W zależności od materiału trzeba również uwzględniać jego skurcz, krystalizację i relaksację naprężeń.

Dlatego układ chłodzenia powinien być projektowany razem z głowicą, zakładaną wydajnością i odciągiem, a nie dopiero jako niezależny moduł dodany do gotowej wytłaczarki.

Odciąg i nawijanie – niedoceniane źródła zmian średnicy

Prędkość odciągu jest jednym z podstawowych parametrów określających końcowy wymiar filamentu. Jeżeli ilość materiału wychodzącego z głowicy pozostaje stała, zmiana prędkości odciągu zmienia stopień rozciągnięcia włókna, a tym samym jego przekrój.

Z tego powodu ważna jest nie tylko wartość zadana, ale również:

• stabilność prędkości,
• jakość napędu,
• mechanika prowadzenia filamentu,
• brak poślizgu,
• powiązanie układu odciągowego z pomiarem średnicy.

Nawijarka powinna z kolei przejmować produkt w sposób, który nie destabilizuje wcześniejszych etapów. Niekontrolowana zmiana naciągu lub różnica prędkości wynikająca ze wzrostu średnicy nawoju może oddziaływać na filament i zaburzać pracę całego końcowego odcinka linii.

Jakość nawinięcia ma również bezpośrednie znaczenie podczas późniejszego użytkowania – filament powinien rozwijać się ze szpuli w sposób powtarzalny, bez zakleszczeń i gwałtownych zmian naciągu.

Pomiar średnicy i owalności online

Kontrola próbki pobranej z gotowej szpuli jest użyteczna, ale pokazuje jedynie niewielki fragment produktu. W przypadku ciągłej produkcji filamentu znacznie większą wartość daje pomiar inline prowadzony podczas rzeczywistej pracy linii.

System pomiarowy powinien umożliwiać obserwację nie tylko wartości średniej, ale także:

• krótkotrwałych odchyleń średnicy,
• owalności,
• lokalnych zgrubień,
• przewężeń,
• trendów i zmian procesu w czasie.

Przy ocenie owalności istotny jest kierunek pomiaru. System wieloosiowy dostarcza więcej informacji o rzeczywistej geometrii przekroju niż pomiar wykonywany wyłącznie w jednej osi.

W liniach SiTech3D kontrola geometrii może być realizowana online. EdgeMetric 360 jest przeznaczony do ciągłego nadzoru nad geometrią filamentu i umożliwia analizę średnicy, owalizacji oraz lokalnych defektów geometrycznych.

Od kontroli średnicy do kontroli procesu

Największą wartość daje nie sam pomiar, ale możliwość powiązania jakości produktu z tym, co wydarzyło się wcześniej w procesie.

Jeżeli system wykryje przewężenie, technolog powinien móc sprawdzić, czy w odpowiednim momencie zmieniły się np.:

• wydajność dozownika,
• prędkość ślimaka,
• obciążenie napędu,
• temperatura lub ciśnienie stopu,
• prędkość pompy stopu,
• prędkość odciągu,
• warunki chłodzenia.

Takie podejście zmienia kontrolę jakości z reaktywnego wykrywania wad w narzędzie do diagnostyki i doskonalenia procesu.

Typowe wady filamentu – gdzie szukać przyczyny?

Ten sam objaw może mieć kilka różnych przyczyn. Dlatego poniższa tabela jest mapą diagnostyczną, a nie gotowym algorytmem naprawy procesu.

Powtarzalność procesu jest ważniejsza niż pojedynczy dobry wynik

W produkcji seryjnej prawidłowa próbka nie jest jeszcze dowodem stabilności technologii. Proces musi utrzymywać wymagane parametry przez całą partię i umożliwiać ich odtworzenie podczas następnych uruchomień.

Dlatego oprócz pojedynczych wyników warto analizować dane statystycznie: średnią wartość parametru, jego rozrzut, trendy oraz zdolność procesu do utrzymywania określonej tolerancji. Jeżeli zostały zdefiniowane granice specyfikacji, można wykorzystywać wskaźniki zdolności procesu, takie jak Cp i Cpk, oraz karty kontrolne.

Ważnym elementem profesjonalnego systemu jakości jest również wiarygodność samego pomiaru. Rozdzielczość urządzenia, jego kalibracja, geometria pomiaru i stabilność systemu pomiarowego powinny odpowiadać tolerancjom produktu. Nie ma wartości w bardzo precyzyjnym sterowaniu procesem, jeżeli sygnał pomiarowy nie jest dostatecznie wiarygodny.

Identyfikowalność partii i szpuli

Kolejnym krokiem ponad prostą kontrolę średnicy jest przypisanie informacji jakościowych do konkretnej partii lub szpuli.

W takim systemie producent może powiązać gotowy produkt z:

• użytym surowcem i numerem partii materiału,
• recepturą,
• parametrami suszenia,
• nastawami procesu,
• danymi z dozowania,
• przebiegiem temperatury i ciśnienia,
• pomiarami średnicy i owalności,
• czasem produkcji i numerem gotowej szpuli.

Taka identyfikowalność jest szczególnie wartościowa przy materiałach technicznych, kompozytowych i specjalistycznych, gdzie koszt produktu i znaczenie jego powtarzalności są większe niż w przypadku prostych filamentów konsumenckich.

Jakość procesu, odpad i efektywność energetyczna

Jakość produkcji ma również wymiar ekonomiczny. Maksymalna wydajność wyrażona w kg/h nie opisuje jeszcze rzeczywistej efektywności linii.

W praktyce znaczenie mają także:

• czas potrzebny do uzyskania stabilnego procesu po rozruchu,
• ilość produktu poza specyfikacją,
• zużycie materiału podczas zmiany koloru lub formulacji,
• czas czyszczenia i przezbrojenia,
• zużycie energii w odniesieniu do ilości produktu zgodnego z wymaganiami,
• stabilność procesu podczas długotrwałej produkcji.

Nie zawsze więc punkt pracy zapewniający największą chwilową wydajność jest punktem optymalnym. Jeżeli wzrost wydajności powoduje pogorszenie jednorodności termicznej, wzrost zmienności wymiarowej lub większą ilość odpadu, ekonomiczny wynik całego procesu może być gorszy.

Laboratorium i rozwój procesu

Przy opracowywaniu nowych formulacji oraz materiałów kompozytowych samo osiągnięcie poprawnej średnicy nie wystarcza. Trzeba zrozumieć zależności pomiędzy materiałem, ustawieniami wytłaczarki a jakością produktu.

Dlatego laboratoryjne linie do badań materiałów na filamenty powinny umożliwiać kontrolowane zmiany parametrów oraz rejestrowanie ich wpływu na produkt.

W pracach R&D szczególnie wartościowe jest określenie:

• okna bezpiecznego przetwórstwa materiału,
• wrażliwości formulacji na wilgoć i temperaturę,
• wpływu prędkości ślimaka i wydajności na homogenizację,
• stabilności ciśnienia i temperatury stopu,
• warunków chłodzenia potrzebnych do utrzymania geometrii,
• zależności pomiędzy parametrami procesu a średnicą i owalnością.

Dopiero proces, który został poznany i ustabilizowany, można odpowiedzialnie skalować do produkcji o większej wydajności.

Jakość filamentu jest wynikiem kontroli całego procesu

Produkcja filamentu do druku 3D wymaga znacznie więcej niż stopienia granulatu i przeciągnięcia tworzywa przez dyszę o odpowiedniej średnicy.

Powtarzalny produkt powstaje wtedy, gdy kontrolowane są równocześnie:

stan surowca, dozowanie, uplastycznianie, jednorodność stopu, temperatura, ciśnienie, formowanie, chłodzenie, geometria produktu, prędkość odciągu i nawijanie.

W przypadku materiałów technicznych, mieszanin i kompozytów wymagania rosną jeszcze bardziej, ponieważ lokalna zmiana udziału napełniacza, wilgoci, lepkości lub historii cieplnej może wpływać zarówno na geometrię filamentu, jak i na jego właściwości podczas późniejszego przetwarzania.

Dlatego SiTech3D traktuje linie do produkcji filamentów 3D jako kompletne układy procesowe, w których wytłaczanie, kontrola geometrii, chłodzenie, odciąg, nawijanie i automatyka muszą współpracować jako jeden system.