Materiały do produkcji filamentów 3D – jak dobrać proces i linię technologiczną

Produkcja filamentu wymaga czegoś więcej niż doboru wytłaczarki i ustawienia nominalnej średnicy produktu. Rodzaj polimeru, konkretna formulacja, zawartość wilgoci, właściwości reologiczne i cieplne, dodatki, włókna oraz inne napełniacze wpływają na sposób przygotowania surowca, dozowanie, compoundowanie, odgazowanie, stabilizację stopu, chłodzenie, kontrolę geometrii i nawijanie.

Dwa materiały przeznaczone do produkcji filamentu 1,75 mm mogą wymagać całkowicie różnych architektur technologicznych. Gotowy compound PLA może być stabilnie formowany na odpowiednio dobranej wytłaczarce jednoślimakowej, podczas gdy własna formulacja PA-CF albo wysoko napełniony materiał zawierający proszek metalu może wymagać wieloskładnikowego dozowania, współbieżnej wytłaczarki dwuślimakowej, podawania bocznego, odgazowania oraz znacznie dokładniejszej kontroli historii termomechanicznej materiału.

W tym artykule pokazujemy, jak przejść od właściwości konkretnej formulacji do architektury procesu i kompletnej linii. Nie dobieramy technologii wyłącznie do nazwy polimeru. Dobieramy ją do funkcji, które proces ma wykonać na materiale, wymaganego okna procesowego, parametrów gotowego filamentu oraz planowanej skali produkcji.

Materiał → proces → linia → stabilny filament

Produkcja filamentu do druku 3D powinna być projektowana od strony materiału i wymaganych właściwości gotowego produktu, a nie od gotowej listy urządzeń.

PLA, PET-G, PA, TPU, PEEK, kompozyt wzmacniany włóknem węglowym oraz wysoko napełniona formulacja zawierająca proszek metalu mogą ostatecznie występować w podobnej postaci – jako filament na szpuli – ale droga technologiczna prowadząca do tego produktu może być całkowicie różna.

ISO/ASTM 52903-1:2020, dotycząca materiałów wejściowych do procesów material extrusion, rozróżnia producenta materiału od producenta feedstocku. Norma wskazuje między innymi sytuację, w której producent materiału dostarcza granulat producentowi przetwarzającemu go następnie na filament [1]. Rozróżnienie to bardzo dobrze pokazuje, dlaczego należy oddzielić wytwarzanie formulacji od konwersji gotowego materiału na filament.

Każdy z tych poziomów wpływa na następny. Właściwości materiału określają wymagane funkcje procesu. Funkcje procesu określają architekturę urządzeń, a dopiero prawidłowa współpraca całego układu umożliwia uzyskanie stabilnego filamentu.

Filament jest wynikiem formulacji, a nie tylko nazwy polimeru

Określenia PLA, PA12, TPU, ABS czy PEEK opisują rodziny materiałów. Nie definiują natomiast pełnego zachowania konkretnego gatunku podczas przetwarzania.

Rzeczywista formulacja może zawierać:

• polimer bazowy,
• barwniki i masterbatche,
• stabilizatory termiczne i procesowe,
• modyfikatory udarności,
• plastyfikatory,
• dodatki poprawiające przetwarzalność,
• środki uniepalniające,
• dodatki przewodzące i antystatyczne,
• włókna wzmacniające,
• napełniacze mineralne, organiczne, ceramiczne lub metalowe,
• kompatybilizatory i inne składniki modyfikujące układ wielofazowy.

Każdy z tych składników może zmienić lepkość, przewodnictwo cieplne, stabilność termiczną, tarcie, ścieralność, gęstość, charakter topienia, wymagany stopień mieszania albo warunki chłodzenia.

Dlatego technolog nie pracuje w praktyce wyłącznie z PLA albo PA, lecz z układem:

polimer bazowy + dodatki + napełniacze + stan surowca + historia termomechaniczna procesu.

Dobrym przykładem znaczenia konkretnego gatunku jest VICTREX PEEK 380P – półkrystaliczny PEEK w postaci gruboziarnistego proszku przeznaczonego między innymi do extrusion compounding. Aktualna dokumentacja tego gatunku podaje temperaturę topnienia 343°C, typową temperaturę stopu podczas ekstruzji 380–400°C oraz sugerowaną maksymalną zawartość wilgoci 0,020% [2].

Nie oznacza to jednak, że wartości te należy stosować do każdego materiału sprzedawanego pod nazwą PEEK. Punktem wyjścia powinny być zawsze dane producenta konkretnego gatunku – TDS, dokumentacja przetwórcza oraz wyniki prób wykonanych w rzeczywistej konfiguracji technologicznej.

Trzy podstawowe architektury produkcji filamentu

Jedną z pierwszych decyzji powinno być ustalenie, w którym miejscu rozpoczyna się proces technologiczny producenta filamentu.

1. Konwersja gotowego compoundu na filament

Producent kupuje materiał przygotowany wcześniej przez dostawcę. Polimer, dodatki i napełniacze tworzą już zakwalifikowany compound w postaci granulatu.

Schemat procesu:

gotowy compound → przygotowanie / suszenie → uplastycznienie → stabilizacja stopu → formowanie → chłodzenie → pomiar → odciąg → nawijanie.

Jeżeli nie jest wymagane intensywne mieszanie ani tworzenie formulacji wewnątrz linii, właściwym rozwiązaniem może być dobrze dobrana wytłaczarka jednoślimakowa.

Jej zadaniem nie jest ponowne tworzenie compoundu, lecz stabilne przetworzenie gotowego materiału przy kontrolowanej historii cieplnej i możliwie małych wahaniach strumienia stopu.

2. Własny compounding i późniejsze formowanie filamentu

Producent sam tworzy materiał z kilku komponentów:

polimer + dodatki + pigmenty + napełniacze → dozowanie → compounding → odgazowanie → granulowanie → przygotowanie granulatu → produkcja filamentu.

W tej architekturze osobno optymalizuje się proces przygotowania materiału oraz proces formowania filamentu.

Zaletą jest możliwość niezależnej kwalifikacji compoundu przed ponownym przetwarzaniem. Wadą – dodatkowa operacja technologiczna, kolejne urządzenia oraz ponowna ekspozycja polimeru na temperaturę i ścinanie.

3. Direct compounding – formulacja i filament w jednym ciągu

W wybranych projektach można zrezygnować z pośredniego granulowania i połączyć przygotowanie formulacji bezpośrednio z formowaniem filamentu:

komponenty → dozowanie → compounding → odgazowanie / stabilizacja stopu → formowanie filamentu.

Rozwiązanie takie może ograniczyć liczbę operacji i ponowne przetwarzanie materiału. Jednocześnie znacznie silniej sprzęga poszczególne etapy procesu.

Zakłócenie dozowania, dyspersji albo odgazowania może wtedy bezpośrednio pojawić się jako zmiana składu, struktury, geometrii lub właściwości końcowego filamentu.

Wytłaczarka jednoślimakowa – gdy materiał jest już materiałem

Układ jednoślimakowy jest szczególnie efektywny wtedy, gdy surowiec został wcześniej przygotowany, a jego skład jest odpowiednio jednorodny.

Typowym przykładem jest produkcja filamentu z gotowego compoundu PLA, ABS, PET-G, TPU albo wcześniej przygotowanego kompozytu zawierającego włókna.

W takim procesie wytłaczarka odpowiada przede wszystkim za:

• stabilne pobieranie materiału,
• transport ciała stałego,
• topienie,
• homogenizację termiczną,
• mieszanie niezbędne do wyrównania stopu,
• transport stopu,
• wytworzenie warunków odpowiednich do dalszego formowania.

Zaletami dobrze dobranego układu jednoślimakowego mogą być mniejsza złożoność, łatwiejsze czyszczenie, szybsze przezbrajanie oraz korzystna ekonomika przy regularnej produkcji.

Przykładem wyspecjalizowanego rozwiązania jest wytłaczarka do filamentów LE-1SF 32 mm, która może współpracować między innymi z dozowaniem grawimetrycznym oraz pompą stopionego tworzywa.

Szczegółowo zagadnienia doboru wytłaczarki i układu uplastyczniającego opisujemy w artykule Wytłaczarka do filamentu – dobór układu uplastyczniającego i LE-1SF 32 mm.

Wytłaczarka dwuślimakowa – gdy proces ma również tworzyć materiał

Współbieżna wytłaczarka dwuślimakowa nabiera szczególnego znaczenia wtedy, gdy urządzenie ma wykonywać więcej funkcji niż samo topienie gotowego compoundu.

Może realizować kolejno:

• transport komponentów,
• topienie polimeru,
• mieszanie dystrybucyjne,
• mieszanie dyspersyjne,
• wprowadzanie kolejnych składników downstream,
• zwilżanie napełniaczy,
• odpowietrzanie i odgazowanie,
• reaktywne modyfikowanie materiału – jeżeli wymaga tego technologia,
• budowanie ciśnienia przed dalszą sekcją procesu.

Przewaga wytłaczarki dwuślimakowej nie wynika więc z samego faktu posiadania dwóch ślimaków. Wynika z możliwości konfigurowania kolejnych funkcji procesowych na długości układu.

W przemysłowym compoundingu komponenty mogą być podawane zarówno do głównej strefy zasypowej, jak i dalej – do już uplastycznionego polimeru. Downstream feeding jest stosowany między innymi dla napełniaczy, dodatków oraz krótkich włókien szklanych i węglowych [3].

Do prac rozwojowych nad takimi formulacjami SiTech3D oferuje laboratoryjne linie do compoundingu i granulacji, które umożliwiają prowadzenie badań nad polimerami, mieszaninami i kompozytami przed późniejszym formowaniem filamentu.

Compoundowanie – nie wystarczy dobrze wymieszać materiał

W compoundingu warto rozdzielić dwa różne cele mieszania.

Mieszanie dystrybucyjne odpowiada przede wszystkim za możliwie równomierne rozmieszczenie składników w objętości materiału.

Jest szczególnie istotne wtedy, gdy niewielki udział pigmentu, dodatku funkcjonalnego albo innego komponentu powinien występować w podobnym stężeniu w całej partii.

Mieszanie dyspersyjne wymaga natomiast odpowiednich naprężeń umożliwiających rozbijanie aglomeratów oraz zmniejszanie rozmiaru skupisk fazy rozproszonej.

Potrzebna intensywność obu mechanizmów zależy od formulacji.

Nie zawsze obowiązuje zasada więcej mieszania = lepiej. Nadmierna historia termomechaniczna może powodować:

• degradację polimeru,
• zmianę masy cząsteczkowej,
• niepożądaną zmianę lepkości,
• degradację termiczną dodatków,
• utratę składników lotnych,
• nadmierne skracanie włókien.

W kompozytach włóknistych trzeba pogodzić homogenizację z zachowaniem długości włókna

Włókna wzmacniające są szczególnym przypadkiem. Z jednej strony powinny zostać odpowiednio rozmieszczone i zwilżone przez polimer. Z drugiej – nadmierne obciążenie mechaniczne może prowadzić do ich skracania.

Powstaje więc kompromis:

jednorodność rozmieszczenia włókna ↔ zachowanie jego długości

Zbyt łagodny proces może powodować niedostateczne rozprowadzenie składnika. Zbyt agresywne elementy mieszające, wysoka intensywność ścinania albo niepotrzebnie długa ekspozycja mogą natomiast zmniejszyć średnią długość włókien i zmienić właściwości końcowego kompozytu.

Badania Inceoglu i wsp. dla PA12 wzmacnianego włóknem szklanym wykazały zależność degradacji długości włókien między innymi od prędkości obrotowej, czasu mieszania i wydajności, a specific mechanical energy okazała się użytecznym parametrem opisującym ewolucję długości włókna [4].

Dlatego dla włókien znaczenie mają łącznie:

• miejsce ich wprowadzania,
• konfiguracja elementów ślimakowych,
• prędkość obrotowa,
• wydajność,
• stopień wypełnienia układu,
• czas przebywania,
• intensywność mieszania.

Podajnik boczny – miejsce dozowania jest częścią technologii

Podajnik boczny nie jest jedynie dodatkowym miejscem umożliwiającym wsypanie składnika do wytłaczarki.

Jego położenie określa stan, w którym komponent spotyka się z polimerem.

Przy projektowaniu należy odpowiedzieć między innymi na pytania:

• czy polimer w miejscu podawania powinien być już całkowicie stopiony,
• jaki jest lokalny stopień wypełnienia kanałów,
• jak dużo objętości pozostaje na wprowadzenie materiału o małej gęstości nasypowej,
• jak dużo powietrza wnosi proszek lub włókno,
• ile długości procesu pozostaje na zwilżenie i homogenizację,
• jak intensywne ścinanie powinno działać na komponent po jego wprowadzeniu,
• czy wymagane będzie późniejsze odpowietrzenie lub odgazowanie.

W rozwiązaniach przemysłowych side feeding wykorzystuje się między innymi do napełniaczy, dodatków, ciętych włókien szklanych i węglowych oraz innych materiałów wprowadzanych do stopionego polimeru [3].

Dozowanie grawimetryczne – receptura musi być prawdziwa również w czasie

Receptura może przewidywać np. 2% pigmentu, 20% włókna albo określony udział dodatku funkcjonalnego. Sama wartość zapisana w dokumentacji nie oznacza jednak, że taki udział występuje w każdej chwili produkcji.

Rzeczywisty skład wynika z chwilowych strumieni masowych komponentów.

Dla dwóch składników udział masowy komponentu B można przedstawić jako:

w_B = ṁ_B / (ṁ_A + ṁ_B)

Jeżeli jeden ze strumieni ulega wahaniu, zmienia się również chwilowy skład materiału.

Dlatego w procesach wieloskładnikowych wykorzystuje się dozowanie grawimetryczne – w szczególności systemy loss-in-weight – umożliwiające kontrolowanie rzeczywistych strumieni masowych komponentów.

Ma to szczególne znaczenie:

• przy małych udziałach dodatków,
• przy kilku równolegle dozowanych składnikach,
• dla materiałów o zmiennej gęstości nasypowej,
• przy proszkach o trudnej sypkości,
• gdy właściwości końcowe silnie zależą od udziału fazy funkcjonalnej.

Feedability – materiał musi dać się stabilnie dostarczyć do procesu

Nie każdy proszek, włókno albo granulat może być podawany z dowolną wydajnością tylko dlatego, że wytłaczarka dysponuje wystarczającą mocą.

Przy materiałach o małej gęstości nasypowej, nieregularnym kształcie, dużej zawartości powietrza albo tendencji do mostkowania ograniczeniem może stać się sama zdolność stabilnego zasilania procesu.

Znaczenie mają między innymi:

• gęstość nasypowa,
• sypkość,
• ściśliwość materiału,
• wielkość i kształt cząstek,
• zawartość powietrza,
• tendencja do tworzenia sklepień i mostków,
• geometria dozownika,
• stopień wypełnienia strefy podawania.

W praktyce maksymalna wydajność procesu może zostać ograniczona przez zdolność podawania składnika znacznie wcześniej niż przez nominalną wydajność samej wytłaczarki.

Wilgoć – część bilansu materiałowego i historii polimeru

W przypadku polimerów wrażliwych na wilgoć jej obecność może wpływać nie tylko na wygląd gotowego filamentu.

Może prowadzić do:

• zmiany lepkości stopu,
• hydrolitycznej degradacji łańcuchów,
• powstawania składników lotnych i pęcherzy,
• zmiany stabilności przepływu i ciśnienia,
• pogorszenia właściwości materiałowych produktu.

NatureWorks publikuje osobne zalecenia przetwórcze dla gatunków Ingeo przeznaczonych do monofilamentów stosowanych w druku 3D. Dokument NWPG014_091216 wskazuje konieczność właściwego suszenia oraz ochrony materiału przed ponownym pochłanianiem wilgoci [5].

Nie należy jednak traktować wartości podawanych dla konkretnego gatunku jako uniwersalnych parametrów dla wszystkich PLA.

Podobnie w przypadku poliamidów wymagania zależą od konkretnego gatunku. Aktualna karta BASF dla Ultramid B35W BK8215, będącego PA6 przeznaczonym do ekstruzji, podaje zalecany zakres wilgotności 0,03–0,06%, temperaturę suszenia 80°C i typowy czas 4 h. Producent zaznacza również, że nadmierne suszenie może prowadzić do wzrostu lepkości stopu [6].

Należy więc analizować łącznie:

• warunki magazynowania,
• temperaturę suszenia,
• czas suszenia,
• punkt rosy,
• przepływ medium suszącego,
• transport po suszeniu,
• szczelność zasobników i przewodów,
• czas ponownej ekspozycji materiału na atmosferę.

Odgazowanie – najpierw trzeba ustalić, co chcemy usunąć

Odgazowanie nie powinno być traktowane jako wyposażenie instalowane automatycznie w każdej konfiguracji.

Najpierw należy określić źródło i charakter fazy gazowej.

Może nią być:

• powietrze wniesione z proszkiem lub włóknami,
• woda,
• składniki lotne,
• pozostałości rozpuszczalnika,
• produkty reakcji,
• produkty degradacji materiału.

W zależności od mechanizmu stosuje się odpowietrzanie atmosferyczne albo odgazowanie próżniowe.

Skuteczna sekcja odgazowania wymaga również właściwego stanu stopu, odpowiedniego lokalnego stopnia wypełnienia układu oraz warunków ograniczających wynoszenie polimeru przez otwór wentylacyjny.

W profesjonalnym compoundingu venting i vacuum degassing są odrębnymi funkcjami procesowymi, dobieranymi do konkretnego materiału i przebiegu procesu [3].

Historia termomechaniczna – materiał pamięta, jak był przetwarzany

Dwa materiały o identycznym deklarowanym składzie mogą różnić się właściwościami, jeżeli zostały przygotowane przy innej historii temperatury, ścinania i czasu.

W analizie compoundingu szczególnie użyteczne mogą być:

• temperatura stopu,
• prędkość obrotowa ślimaków,
• moment obrotowy,
• wydajność masowa,
• stopień wypełnienia układu,
• specific mechanical energy – SME,
• czas przebywania,
• rozkład czasu przebywania – RTD.

Specific Mechanical Energy – SME

SME opisuje w uproszczeniu energię mechaniczną przekazaną materiałowi w odniesieniu do jego masowego przepływu.

Można zapisać:

SME ≈ P_mech / ṁ

Dla prędkości ślimaka podanej w obrotach na minutę:

P_mech = 2π · (n / 60) · M

gdzie:

• n – prędkość obrotowa [obr/min],
• M – moment obrotowy [N·m],
• P_mech – moc mechaniczna [W],
• ṁ – strumień masowy [kg/s].

Przy takim układzie jednostek SME otrzymujemy w J/kg.

W rzeczywistej maszynie do dokładniejszej analizy należy uwzględnić sposób wyznaczania rzeczywistej mocy mechanicznej oraz sprawność układu napędowego.

Nie istnieje jedna właściwa wartość SME dla wszystkich materiałów. Parametr ten jest jednak użyteczny przy porównywaniu historii mechanicznej podobnych procesów oraz podczas prac nad skalowaniem [4,7].

Czas przebywania i RTD

Materiał nie pozostaje w wytłaczarce przez jeden identyczny czas.

W rzeczywistym procesie występuje rozkład czasu przebywania – Residence Time Distribution. Część materiału opuszcza układ wcześniej, część później.

Istotna jest więc nie tylko wartość średnia, lecz również kształt rozkładu i jego ogony. Materiał znajdujący się w długim ogonie RTD może pozostawać w układzie znacząco dłużej od wartości średniej.

Ma to szczególne znaczenie przy:

• degradacji termicznej,
• wytłaczaniu reaktywnym,
• materiałach zawierających termicznie wrażliwe dodatki,
• zmianach formulacji i koloru,
• analizie czasu płukania urządzenia,
• scale-up procesu.

RTD zależy między innymi od prędkości ślimaków, wydajności, temperatury, stopnia wypełnienia oraz konfiguracji elementów ślimakowych [8].

Okno procesowe – linia powinna mieć margines stabilnej pracy

Podczas pojedynczej próby można znaleźć zestaw parametrów, przy którym udaje się wyprodukować prawidłowy filament.

Dla produkcji przemysłowej to za mało.

Proces powinien posiadać okno procesowe – zakres warunków, w którym produkt pozostaje zgodny z wymaganiami mimo naturalnych zmian właściwości surowca oraz niewielkich zakłóceń procesu.

Należy więc badać wrażliwość produktu na zmianę:

• wydajności dozowników,
• prędkości ślimaka,
• temperatur stref,
• rzeczywistej temperatury stopu,
• momentu i obciążenia napędu,
• ciśnienia stopu,
• prędkości pompy stopu,
• prędkości odciągu,
• temperatury i intensywności chłodzenia.

Mapa materiałów – ważniejsze jest zachowanie procesowe niż sama nazwa

Trzy materiały – trzy różne architektury procesu

Przykład 1: PLA z gotowego surowca

Jeżeli producent wykorzystuje gotowy, zakwalifikowany gatunek PLA przeznaczony do ekstruzji monofilamentu oraz niewielki udział masterbatchu, proces może być stosunkowo prosty.

Najważniejsze funkcje to:

• kontrola stanu i wilgotności surowca,
• powtarzalne dozowanie masterbatchu,
• stabilne uplastycznienie,
• kontrola temperatury stopu,
• stabilizacja strumienia,
• dobrane chłodzenie,
• kontrola średnicy i owalności,
• stabilny odbiór i nawijanie.

W takiej aplikacji odpowiednio dobrana wytłaczarka jednoślimakowa może być rozwiązaniem optymalnym.

Przykład 2: PA-CF

PA-CF łączy co najmniej dwa odrębne zagadnienia technologiczne: właściwości poliamidu oraz obecność włókna węglowego.

Jeżeli producent kupuje gotowy compound PA-CF, jego formowanie może być realizowane na odpowiednio dobranej wytłaczarce jednoślimakowej.

Jeżeli jednak włókno ma być wprowadzane podczas procesu, konieczne staje się rozważenie:

• suszenia i odpowiedniego transportu poliamidu,
• wytłaczarki dwuślimakowej,
• oddzielnego dozowania komponentów,
• downstream feeding włókna,
• konfiguracji elementów ograniczającej niepotrzebne skracanie włókna,
• odpowiedniego odgazowania,
• elementów roboczych odpornych na ścieranie.

To dobry przykład pokazujący, dlaczego sama etykieta PA-CF nie pozwala jeszcze dobrać maszyny.

Przykład 3: wysoko napełniony filament metalowy

Filament zawierający wysoki udział proszku metalicznego i przeznaczony do późniejszego debindingu oraz spiekania jest zupełnie innym systemem niż dekoracyjny filament zawierający niewielki dodatek metaliczny.

Kluczowe są:

• właściwości i rozkład wielkości proszku,
• udział fazy stałej,
• architektura układu spoiwa,
• zwilżanie powierzchni cząstek,
• reologia wysoko napełnionej mieszaniny,
• dystrybucja proszku w spoiwie,
• stabilność strumieni dozowania,
• zużycie elementów roboczych,
• elastyczność i wytrzymałość gotowego filamentu umożliwiająca jego nawijanie i późniejsze drukowanie.

W takim procesie uzasadnione może być wykorzystanie wytłaczarki dwuślimakowej, wielu dozowników oraz podawania bocznego. Dokładna architektura zależy jednak od konkretnego układu proszek–spoiwo i powinna zostać zweryfikowana eksperymentalnie.

Więcej o tej klasie materiałów opisujemy w artykule Filament metalowy do druku 3D – materiał, proces i wyzwania produkcyjne.

Pompa stopionego tworzywa – osobne zadanie dla osobnego urządzenia

W wymagających procesach filamentowych korzystne może być rozdzielenie dwóch funkcji:

• wytłaczarka odpowiada przede wszystkim za przygotowanie jednorodnego stopu,
• pompa zębata odpowiada za dokładniejsze dozowanie stopu do głowicy.

Pompa stopionego tworzywa może ograniczyć wpływ części wahań wydajności wytłaczarki na strumień materiału doprowadzany do głowicy.

Nie jest jednak idealnym źródłem przepływu. Rzeczywisty wydatek pompy zależy również od lepkości stopu, różnicy ciśnień oraz przecieków wewnętrznych.

W zaawansowanej konfiguracji możliwe jest rozdzielenie zadań regulatorów:

prędkość pompy → podstawowy strumień stopu

oraz:

prędkość ślimaka → utrzymanie odpowiednich warunków po stronie zasilania pompy.

Takie podejście pozwala bardziej niezależnie optymalizować proces uplastyczniania i dozowanie stopu do głowicy.

Formowanie filamentu nie kończy się na głowicy

Po opuszczeniu głowicy materiał nadal znajduje się w stanie, w którym jego geometria może się intensywnie zmieniać.

Ostateczna średnica filamentu jest wynikiem między innymi:

• strumienia stopu,
• geometrii głowicy i narzędzia,
• die swell,
• draw-down,
• prędkości odbioru,
• skurczu cieplnego,
• warunków chłodzenia.

Dlatego średnicy gotowego filamentu nie można przypisać wyłącznie średnicy otworu narzędzia formującego.

Pełną architekturę procesu od przygotowania stopu do gotowej szpuli opisujemy szerzej w artykule Produkcja filamentu 3D – wymagania procesu i linii technologicznej.

Chłodzenie powinno wynikać z materiału

Po formowaniu należy odebrać ciepło z produktu w taki sposób, aby uzyskać wymaganą geometrię i właściwości przy możliwie małych niekontrolowanych deformacjach.

Nie istnieje jedna uniwersalna temperatura chłodzenia odpowiednia dla wszystkich polimerów.

Znaczenie mają między innymi:

• temperatura stopu,
• przewodnictwo i dyfuzyjność cieplna,
• lepkość materiału,
• skurcz,
• kinetyka krystalizacji materiałów półkrystalicznych,
• prędkość linii,
• średnica produktu.

W wymagających procesach korzystne może być stopniowe odbieranie ciepła – np. zastosowanie pierwszej strefy chłodzenia o wyższej temperaturze i kolejnej strefy chłodniejszej – zamiast natychmiastowego kontaktu gorącego produktu z bardzo zimnym medium.

Dokładne warunki powinny jednak wynikać z właściwości konkretnej formulacji oraz prób technologicznych.

Pomiar produktu powinien służyć sterowaniu i diagnostyce procesu

Średnica oraz owalność należą do podstawowych cech gotowego filamentu, ale sam wynik pomiaru ma ograniczoną wartość, jeżeli nie można go powiązać ze stanem procesu.

W chwili wystąpienia odchylenia technolog powinien móc sprawdzić między innymi:

• strumienie dozowników,
• prędkość ślimaka,
• moment lub obciążenie napędu,
• temperaturę stopu,
• ciśnienia w układzie,
• prędkość pompy stopu,
• prędkość odciągu,
• parametry chłodzenia.

Do ciągłego monitorowania geometrii produktu SiTech3D rozwija EdgeMetric 360, umożliwiający – zależnie od konfiguracji – kontrolę średnicy w jednej, dwóch lub trzech osiach, ocenę owalności oraz wykrywanie lokalnych zaburzeń profilu.

Znacznie szerzej system kwalifikacji gotowego produktu opisujemy w artykule Jakość filamentu do druku 3D – wady, pomiar i diagnostyka.

Diagnostyka – objaw na końcu linii może mieć źródło na jej początku

Dlatego linia do produkcji filamentu powinna być traktowana jako jeden dynamiczny system technologiczny.

Od laboratorium do produkcji – scale-up nie jest geometrycznym powiększeniem maszyny

Proces opracowany na niewielkiej wytłaczarce nie powinien być przenoszony do większej skali wyłącznie poprzez proporcjonalne zwiększenie wymiarów, prędkości i wydajności.

Wraz ze skalą zmieniają się między innymi:

• stosunek powierzchni wymiany ciepła do objętości,
• czas i rozkład czasu przebywania,
• stopień wypełnienia,
• szybkość i naprężenia ścinające,
• SME,
• charakter topienia,
• warunki dystrybucji i dyspersji,
• odgazowanie,
• bezwładność układu regulacji,
• warunki chłodzenia downstream.

Przy skalowaniu nie da się zazwyczaj zachować wszystkich wielkości podobieństwa jednocześnie. Trzeba więc ustalić, które mechanizmy są krytyczne dla konkretnego materiału i produktu.

Dla jednego procesu najważniejsze może być zachowanie zbliżonego SME. Dla innego – czasu przebywania, szybkości ścinania, temperatury stopu, długości włókien, warunków topienia albo jakości mieszania [7].

Laboratorium powinno budować wiedzę procesową

Dlatego laboratoryjna linia do badań materiałów na filamenty nie powinna być traktowana wyłącznie jako mała wersja instalacji produkcyjnej.

Jej najważniejszym zadaniem jest umożliwienie:

• opracowania formulacji,
• oceny przetwarzalności,
• badania wpływu parametrów technologicznych,
• określenia zależności pomiędzy recepturą i jakością produktu,
• identyfikacji parametrów krytycznych,
• wyznaczenia okna procesowego,
• zebrania danych potrzebnych do późniejszego scale-up.

W zależności od celu linie laboratoryjne SiTech3D mogą być konfigurowane z układami jedno- albo dwuślimakowymi, dozowaniem grawimetrycznym, podawaniem bocznym, pomiarem geometrii online, chłodzeniem, odciągiem oraz nawijaniem.

Największa wydajność nominalna nie zawsze daje najlepszą ekonomikę

Wydajność wyrażona w kg/h jest tylko jednym z parametrów ekonomicznych linii.

Znaczenie mają również:

• ilość materiału potrzebna do rozruchu,
• czas osiągania stabilnych warunków,
• ilość produktu poza specyfikacją,
• masa materiału pozostającego w urządzeniu,
• czas czyszczenia,
• czas zmiany koloru lub receptury,
• koszt prób i przezbrojeń,
• częstotliwość zmian formulacji,
• wartość surowca,
• zużycie energii na kilogram produktu zgodnego ze specyfikacją.

Przy drogich materiałach wysokotemperaturowych albo specjalistycznych formulacjach koszt kilku kilogramów odpadu może mieć większe znaczenie niż niewielka różnica maksymalnej wydajności linii.

Jakie dane warto rejestrować?

Największą wartość analityczną daje połączenie danych materiału, maszyny i gotowego produktu.

Dane materiału i formulacji

• identyfikacja partii surowców,
• stan i wilgotność materiału,
• receptura,
• rzeczywiste strumienie poszczególnych komponentów,
• warunki magazynowania, przygotowania i suszenia.

Dane procesu

• temperatury stref,
• temperatura stopu,
• ciśnienia stopu,
• prędkości ślimaków,
• moment lub obciążenie napędów,
• wydajność dozowników,
• SME – jeżeli jest parametrem istotnym dla danej technologii,
• parametry pompy stopu,
• prędkość odciągu,
• warunki chłodzenia.

Dane produktu

• średnica,
• owalność,
• minimum i maksimum wymiaru,
• lokalne defekty,
• jakość powierzchni,
• dane partii i konkretnej szpuli,
• inne CTQ zależne od formulacji i zastosowania.

Najważniejszym efektem takiego systemu nie jest gromadzenie maksymalnej ilości danych, lecz możliwość odpowiedzi na pytanie:

co zmieniło się w materiale albo procesie w chwili, gdy zmieniła się jakość filamentu?

Jak SiTech3D podchodzi do doboru linii?

Punktem wyjścia powinien być produkt oraz funkcje, które proces ma wykonać na materiale.

Przed rozpoczęciem konfiguracji warto określić:

• rodzaj polimeru bazowego,
• konkretny gatunek i jego dokumentację TDS,
• czy materiał jest gotowym compoundem,
• czy formulacja ma powstawać podczas procesu,
• rodzaj i udział dodatków, włókien oraz proszków,
• wymagania dotyczące wilgoci i suszenia,
• wymaganą jakość mieszania,
• potrzebę odpowietrzania lub odgazowania,
• docelową średnicę i wymagania geometryczne,
• oczekiwaną wydajność,
• liczbę formulacji i częstotliwość zmian,
• zakres kontroli inline,
• docelowy format szpul,
• zakres rejestrowanych danych,
• plan przejścia od laboratorium do produkcji.

Dopiero na tej podstawie można odpowiedzialnie określić:

wytłaczarkę → sposób dozowania → miejsce podawania komponentów → konfigurację mieszania → odgazowanie → pompę stopu → głowicę → chłodzenie → pomiar → odciąg → magazyn → nawijanie → automatykę procesu.

Powiązane rozwiązania SiTech3D

• Linie produkcyjne filamentów do drukarek 3D
• Laboratoryjne linie do badań materiałów na filamenty 3D
• Linia do produkcji filamentu z wytłaczarką 32 mm
• Wytłaczarka do filamentów LE-1SF 32 mm
• Linie i urządzenia do compoundingu oraz granulacji
• Laboratoryjne linie do compoundingu i granulacji
• Pompy stopionego tworzywa
• EdgeMetric 360 – kontrola geometrii filamentu inline

Nie dobieramy linii do nazwy materiału. Dobieramy ją do rzeczywistego procesu.

Profesjonalna produkcja filamentu wymaga jednoczesnego połączenia wiedzy materiałowej, inżynierii procesu, konstrukcji maszyn, automatyki i metrologii.

W jednym projekcie najbardziej racjonalnym rozwiązaniem będzie prosta i stabilna linia jednoślimakowa pracująca na gotowym compoundzie.

W innym potrzebny będzie układ dwuślimakowy z wieloskładnikowym dozowaniem, podajnikiem bocznym i odgazowaniem.

Jeszcze inna formulacja będzie wymagała szczególnej ochrony przed wilgocią, wysokotemperaturowego układu procesowego, pompy stopu albo rozbudowanej kontroli produktu.

Nie istnieje więc jedna najlepsza linia do filamentu.

Istnieje linia dobrze albo źle dopasowana do:

materiału → formulacji → funkcji procesu → okna procesowego → wymaganej jakości → skali produkcji.

Najczęściej zadawane pytania

Czy każdą linię do filamentu można zbudować na wytłaczarce jednoślimakowej?

Nie. Wytłaczarka jednoślimakowa jest bardzo dobrym rozwiązaniem dla wielu gotowych i jednorodnych compoundów. Jeżeli proces ma również tworzyć złożoną formulację, intensywnie mieszać składniki albo wprowadzać komponenty w różnych miejscach procesu, uzasadniony może być układ dwuślimakowy.

Czy filament CF lub GF zawsze wymaga wytłaczarki dwuślimakowej?

Nie. Gotowy compound zawierający włókna może być formowany na odpowiednio dobranym układzie jednoślimakowym. Wytłaczarka dwuślimakowa nabiera szczególnego znaczenia wtedy, gdy wytwarzanie lub modyfikowanie kompozytu jest częścią samego procesu.

Dlaczego stosuje się dozowanie grawimetryczne?

Ponieważ umożliwia kontrolowanie rzeczywistych strumieni masowych komponentów, a tym samym rzeczywistego składu produkowanej formulacji. Ma to szczególne znaczenie dla niewielkich udziałów dodatków i materiałów funkcjonalnych.

Kiedy stosuje się podajnik boczny?

Gdy określony komponent korzystniej jest wprowadzić do już uplastycznionego polimeru. Dotyczy to między innymi wielu napełniaczy i krótkich włókien. Miejsce wprowadzenia powinno być dobierane łącznie z konfiguracją ślimaków, odgazowaniem i pozostałym czasem mieszania.

Czy większa intensywność mieszania zawsze poprawia kompozyt?

Nie. Zbyt mała intensywność może powodować niewystarczającą homogenizację, ale nadmierne ścinanie może degradować polimer albo skracać włókna. Optimum zależy od konkretnej formulacji i oczekiwanych właściwości produktu.

Czy można stosować jedną tabelę temperatur dla całej rodziny PLA, PA albo PEEK?

Nie. Poszczególne gatunki mogą różnić się lepkością, masą cząsteczkową, dodatkami, stabilnością termiczną i przeznaczeniem przetwórczym. Punktem wyjścia powinna być dokumentacja konkretnego surowca oraz wyniki prób technologicznych.

Czy wystarczy kontrolować średnicę filamentu?

Nie. Średnica jest jednym z podstawowych parametrów, ale jakość może zależeć również od owalności, lokalnych defektów, struktury wewnętrznej, jednorodności formulacji, wilgoci, właściwości reologicznych oraz jakości nawoju. Zagadnienia te rozwijamy osobno w artykule o kontroli jakości filamentu.

Jak rozpocząć rozwój własnego filamentu?

Najpierw należy zdefiniować polimer bazowy, dodatki, wymagane właściwości produktu i sposób jego późniejszego wykorzystania. Następnie w skali laboratoryjnej należy określić przetwarzalność formulacji, mechanizmy ryzyka i stabilne okno procesowe. Dopiero na tej podstawie powinno się projektować scale-up i linię produkcyjną.

Literatura i źródła

1. ISO/ASTM 52903-1:2020, Additive manufacturing — Material extrusion-based additive manufacturing of plastic materials — Part 1: Feedstock materials, ISO/ASTM, 2020.
2. VICTREX plc, VICTREX PEEK POLYMER 380P – Technical Data Sheet, aktualna wersja dokumentacji produktowej 2026.
3. Coperion GmbH, Engineering Plastics – Compounding Technology, materiały techniczne dotyczące feeding, downstream feeding, homogenizacji, dyspersji, venting i degassing.
4. Inceoglu F., Ville J., Ghamri N., Pradel J.-L., Durin A., Valette R., Vergnes B., „Correlation between processing conditions and fiber breakage during compounding of glass fiber-reinforced polyamide”, Polymer Composites, 2011, 32(11), 1842–1850. DOI: 10.1002/pc.21217.
5. NatureWorks LLC, 3D Printing Monofilament Guide for Ingeo Biopolymer, document NWPG014_091216.
6. BASF SE, Ultramid B35W BK8215 – Processing Data Sheet, 02/2026.
7. Nastaj A., Wilczyński K., „Optimization and Scale-Up for Polymer Extrusion”, Polymers, 2021, 13(10), 1547. DOI: 10.3390/polym13101547.
8. Vergnes B., „A comprehensive review on residence time distributions in co-rotating twin-screw extrusion”, International Polymer Processing, 2024, 39(5), 513–530. DOI: 10.1515/ipp-2024-0081.
9. SiTech3D Sp. z o.o. – wiedza własna, badania, dokumentacja techniczna i doświadczenia projektowe. Materiał opracowano z wykorzystaniem doświadczeń związanych z projektowaniem wytłaczarek jedno- i dwuślimakowych, laboratoryjnych i produkcyjnych linii filamentowych, systemów dozowania, pomp stopu, chłodzenia, kontroli geometrii oraz skalowania procesów przetwórstwa polimerów i kompozytów.