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, skład formulacji, zawartość wilgoci, dodatki, włókna i inne napełniacze wpływają na sposób przygotowania surowca, dozowanie, compoundowanie, chłodzenie, kontrolę geometrii oraz nawijanie. W tym artykule pokazujemy, jak właściwości materiału przekładają się na architekturę procesu i dobór kompletnej linii do produkcji filamentu.

Materiały do produkcji filamentów 3D – od formulacji do stabilnego procesu i kompletnej linii technologicznej

Produkcja dobrego filamentu nie zaczyna się od wyboru wytłaczarki ani od ustawienia średnicy 1,75 mm. Zaczyna się od materiału i odpowiedzi na pytanie, co dokładnie ma powstać na końcu procesu.

PLA, PET-G, PA, TPU, PEEK, kompozyt z włóknem węglowym oraz wysoko napełniona formulacja zawierająca proszek metalu mogą mieć tę samą postać gotowego produktu – filament na szpuli – ale wymagają zupełnie innego podejścia do przygotowania surowca, dozowania, uplastyczniania, mieszania, chłodzenia i kontroli jakości.

Dlatego w SiTech3D konfigurację linii dobieramy do materiału, formulacji, funkcji procesu, wymaganej jakości filamentu i zakładanej skali produkcji. Średnica ślimaka i nominalna wydajność są ważne, ale nie powinny być pierwszymi ani jedynymi kryteriami projektowymi.

Materiał → proces → linia → filament

Najbardziej użyteczne spojrzenie na produkcję filamentu polega na potraktowaniu całej instalacji jako jednego układu technologicznego. Parametry poszczególnych urządzeń mają znaczenie dopiero wtedy, gdy współpracują ze sobą w sposób odpowiadający właściwościom materiału.

Jeżeli którykolwiek z tych czterech poziomów zostanie potraktowany niezależnie od pozostałych, może powstać linia, która technicznie „produkuje filament”, ale nie zapewnia stabilnego produktu o wymaganej jakości.

Filament jest wynikiem formulacji, a nie tylko nazwy polimeru

Określenia PLA, PA12, TPU czy PEEK opisują rodziny materiałów, ale nie definiują kompletnego zachowania konkretnego surowca w procesie. Właściwości rzeczywistej formulacji mogą być modyfikowane przez barwniki, masterbatche, stabilizatory, modyfikatory udarności, dodatki procesowe, środki uniepalniające, przewodzące, włókna i inne napełniacze.

W praktyce technolog pracuje więc z układem:

polimer bazowy + dodatki + barwniki + modyfikatory + napełniacze + warunki procesu.

To właśnie ta kombinacja decyduje o lepkości stopu, stabilności termicznej, możliwości dozowania, intensywności wymaganego mieszania, sposobie chłodzenia oraz zachowaniu gotowego filamentu.

Z tego powodu nie należy stosować jednej uniwersalnej tabeli temperatur i parametrów do wszystkich materiałów należących do tej samej rodziny. Dla konkretnej formulacji punktem wyjścia powinny być aktualne dane producenta surowca, w szczególności TDS, oraz wyniki prób technologicznych. Dobrze pokazuje to PEEK: aktualna karta VICTREX PEEK 380P określa dla tego konkretnego gatunku temperaturę topnienia 343°C, typową temperaturę stopu przy ekstruzji 380–400°C i zalecany maksymalny poziom wilgoci 0,020%. Nie są to jednak wartości, które można bezkrytycznie przypisać każdemu materiałowi sprzedawanemu jako PEEK.

Trzy podstawowe drogi do produkcji filamentu

Jedną z pierwszych decyzji projektowych powinno być ustalenie, w którym miejscu rozpoczyna się proces technologiczny producenta filamentu. Możliwe są co najmniej trzy modele.

1. Filament z gotowego compoundu

Producent kupuje materiał przygotowany przez dostawcę w postaci jednorodnego granulatu. Formulacja, w tym dodatki lub napełniacze, została wykonana wcześniej.

Schemat procesu:

gotowy compound → przygotowanie / suszenie → wytłaczanie → chłodzenie → pomiar → odciąg → nawijanie.

W takim układzie zadaniem wytłaczarki jest przede wszystkim stabilne uplastycznienie materiału i dostarczenie jednorodnego strumienia stopu do głowicy. Jeżeli materiał nie wymaga intensywnego mieszania w linii filamentowej, bardzo dobrym rozwiązaniem może być wytłaczarka jednoślimakowa.

2. Własna formulacja i compoundowanie

Producent chce samodzielnie łączyć polimer z barwnikami, modyfikatorami, włóknami, proszkami lub innymi dodatkami funkcjonalnymi.

Schemat staje się bardziej złożony:

polimer + dodatki + napełniacze → dozowanie → compoundowanie → odgazowanie / stabilizacja → granulat albo dalsze formowanie → filament.

W tym wariancie rośnie znaczenie wytłaczarki dwuślimakowej, wieloskładnikowego dozowania grawimetrycznego, odpowiedniego profilu ślimaków, a w wybranych procesach również podawania bocznego. W przemysłowym compoundingu downstream feeding jest powszechnie wykorzystywany m.in. do napełniaczy oraz krótkich włókien szklanych i węglowych.

3. Proces zintegrowany

W części projektów możliwe jest zaprojektowanie procesu, w którym przygotowanie formulacji i formowanie filamentu tworzą jeden ciąg technologiczny, bez oddzielnego etapu przygotowania i ponownego przetwarzania granulatu.

Takie rozwiązanie może ograniczać liczbę operacji, ale jednocześnie zwiększa wymagania wobec stabilności całego układu. Zakłócenie dozowania lub compoundingu może wówczas bezpośrednio przełożyć się na jakość końcowego filamentu.

Mapa materiałów do produkcji filamentów

Zakres materiałów stosowanych w FFF/FDM jest szeroki i stale się rozwija. Dla projektowania procesu bardziej użyteczny niż prosty katalog nazw jest podział według zachowania materiału podczas przetwarzania.

Wilgoć – parametr surowca, który może zmienić cały proces

W przypadku materiałów wrażliwych na wilgoć jej obecność może prowadzić nie tylko do pogorszenia wyglądu filamentu. Może wpływać na lepkość stopu, stabilność ciśnienia, degradację łańcuchów polimerowych, tworzenie pęcherzy i powtarzalność właściwości produktu.

NatureWorks publikuje osobne gatunki PLA projektowane do produkcji monofilamentów 3D, co samo w sobie dobrze pokazuje, że „PLA” nie jest jednym uniwersalnym surowcem. Producent wskazuje też znaczenie właściwego przygotowania materiału podczas przetwarzania.

Równie istotne jest to, że nawet w obrębie poliamidów wymagania mogą być różne. Aktualne dane BASF dla poszczególnych gatunków Ultramid pokazują różne poziomy pochłaniania wilgoci i różne zalecenia dotyczące materiału przed przetwarzaniem.

Dlatego należy analizować nie tylko suszarkę, lecz cały tor materiału: magazynowanie, czas suszenia, punkt rosy, transport, zasobnik przy wytłaczarce oraz czas pozostawania materiału w warunkach otoczenia.

Wytłaczarka jednoślimakowa – kiedy jest właściwym wyborem?

Układ jednoślimakowy sprawdza się szczególnie dobrze wtedy, gdy materiał jest już odpowiednio przygotowany i jednorodny, a podstawową funkcją urządzenia jest stabilne uplastycznienie i wytłoczenie go z możliwie małymi wahaniami wydatku.

Typowym przykładem jest produkcja filamentu z gotowego granulatu lub wcześniej przygotowanego compoundu.

W takim procesie zaletami mogą być:

• prostszy tor materiałowy,
• mniejsza złożoność konfiguracji,
• łatwiejsze czyszczenie i przezbrajanie,
• stabilna charakterystyka wytłaczania,
• niższa złożoność obsługi.

SiTech3D stosuje wytłaczarki jednoślimakowe również w kompletnych liniach filamentowych, z możliwością integracji dozowania grawimetrycznego, pomiarów temperatury i ciśnienia stopu oraz pompy stopionego tworzywa.

Wytłaczarka dwuślimakowa – gdy produkcja filamentu zaczyna się od tworzenia materiału

Jeżeli zadaniem linii jest również mieszanie kilku składników, dyspersja dodatków, wprowadzanie włókien lub opracowywanie własnej formulacji, rośnie znaczenie współbieżnego układu dwuślimakowego.

Jego przewagą nie jest samo posiadanie dwóch ślimaków. Kluczowa jest możliwość konfigurowania kolejnych funkcji procesowych: transportu, uplastyczniania, mieszania dystrybucyjnego i dyspersyjnego, dozowania bocznego, odgazowania oraz budowania ciśnienia.

W przemysłowych układach compoundujących komponenty mogą być podawane zarówno do głównej strefy zasypowej, jak i dalej do stopionego już polimeru. Coperion wskazuje przykładowo downstream feeding napełniaczy, dodatków oraz krótkich włókien szklanych i węglowych poprzez dwuślimakowe podajniki boczne.

Wytłaczarki laboratoryjne SiTech3D mogą współpracować z dozowaniem grawimetrycznym granulatów, proszków i płynów, podajnikami bocznymi oraz układami odgazowania.

Podajnik boczny – jego położenie jest częścią projektu procesu

Podajnik boczny nie jest po prostu dodatkowym miejscem wsypywania materiału.

W przypadku włókien, proszków i części napełniaczy celowe może być wprowadzenie składnika dopiero po uplastycznieniu polimeru bazowego. Dzięki temu można kontrolować warunki jego zwilżania, czas przebywania, intensywność ścinania oraz stopień dyspersji.

Ma to szczególne znaczenie dla włókien. Zbyt intensywne lub zbyt długie mieszanie może prowadzić do ich nadmiernego skrócenia, natomiast niedostateczne mieszanie może pogarszać jednorodność kompozytu.

Dlatego miejsce wprowadzenia napełniacza, geometria strefy ślimaków oraz parametry pracy powinny być projektowane jako jeden układ.

Dozowanie grawimetryczne – receptura musi być prawdziwa również podczas produkcji

Receptura może zakładać np. określony procent masterbatchu, włókna lub dodatku. Jeżeli jednak rzeczywisty strumień któregoś ze składników zmienia się podczas produkcji, zmienia się również skład materiału opuszczającego linię.

Dozowanie grawimetryczne umożliwia kontrolowanie rzeczywistego strumienia masowego składników. Ma szczególne znaczenie przy niewielkich udziałach dodatków, przy kilku komponentach równocześnie oraz przy materiałach, których właściwości końcowe silnie zależą od udziału fazy funkcjonalnej.

Systemy loss-in-weight są szeroko wykorzystywane w profesjonalnym compoundingu dla granulatów, proszków, włókien i innych materiałów sypkich.

W rozwiązaniach SiTech3D dozowanie jest traktowane jako część konfiguracji technologicznej wytłaczarki i kompletnej linii, a nie jako niezależne wyposażenie pomocnicze.

Trzy materiały – trzy różne procesy

Przykład 1: standardowy filament PLA z gotowego surowca

Jeżeli producent wykorzystuje odpowiednio dobrany, gotowy gatunek PLA przeznaczony do wytłaczania filamentu oraz masterbatch barwiący, proces może być stosunkowo prosty.

Najważniejsze elementy to:

• kontrola przygotowania i wilgotności surowca,
• powtarzalne dozowanie barwnika lub dodatku,
• stabilne uplastycznianie,
• kontrola temperatury stopu,
• stabilny odbiór materiału,
• kontrola średnicy i owalności,
• powtarzalne nawijanie.

W takim przypadku dobrze zaprojektowana linia jednoślimakowa może być optymalnym rozwiązaniem.

Przykład 2: PA-CF – wilgoć, włókno i zużycie elementów

Przy materiale PA-CF dochodzą kolejne problemy technologiczne. Poliamid wymaga kontroli wilgoci, a obecność włókna węglowego wpływa na reologię materiału, właściwości mechaniczne i zużycie elementów mających kontakt z kompozytem.

Jeżeli producent korzysta z gotowego compoundu PA-CF, nadal możliwe jest formowanie filamentu w układzie jednoślimakowym dobranym do materiału.

Jeżeli natomiast celem jest samodzielne przygotowanie formulacji, proces może wymagać:

• wytłaczarki dwuślimakowej,
• kontrolowanego dozowania polimeru i włókna,
• podawania włókna w odpowiedniej strefie procesu,
• doboru elementów mieszających pod kątem ograniczenia degradacji długości włókna,
• elementów roboczych odpornych na ścieranie.

To dobry przykład pokazujący, że sama nazwa „PA-CF” nie wystarcza do doboru maszyny. Trzeba wiedzieć, czy linia ma przetwarzać gotowy compound, czy również go wytwarzać.

Przykład 3: wysoko napełniony filament 316L do debindingu i spiekania

Jeszcze inną klasę procesu reprezentują filamenty wysoko napełnione proszkiem metalu, przeznaczone do wytworzenia kształtki, a następnie usunięcia spoiwa i spiekania.

Nie należy ich utożsamiać z dekoracyjnymi filamentami zawierającymi niewielki dodatek proszku metalicznego.

W formulacji przeznaczonej do dalszego debindingu i spiekania zasadnicze znaczenie mają:

• rodzaj i charakterystyka proszku,
• udział fazy stałej,
• układ spoiwa,
• zwilżanie cząstek,
• reologia wysoko napełnionej mieszaniny,
• homogenizacja,
• stabilność dozowania poszczególnych komponentów,
• zużycie elementów roboczych.

W takim procesie uzasadnione może być wykorzystanie wytłaczarki dwuślimakowej, kilku systemów dozowania grawimetrycznego oraz podawania bocznego. Dokładna konfiguracja zależy jednak od konkretnej formulacji i wymaga prób procesowych.

Co naprawdę decyduje o jakości filamentu?

Najłatwiej mierzalnym parametrem jest średnica nominalna, dlatego często właśnie ona staje się głównym kryterium jakości.

To za mało.

W profesjonalnej ocenie należy analizować między innymi:

• średnią średnicę,
• krótkookresowe odchylenia średnicy,
• owalność,
• jednorodność formulacji,
• jednorodność koloru,
• jakość powierzchni,
• obecność porów, wtrąceń i defektów,
• stabilność materiału pomiędzy kolejnymi partiami,
• jakość i powtarzalność nawinięcia.

Aktualna oferta linii filamentowych SiTech3D również wskazuje, że o jakości produktu decydują nie tylko wartości nominalne, ale powtarzalność średnicy, okrągłość, jednorodność stopu, powierzchnia, chłodzenie i odbiór materiału.

Pomiar powinien pomagać sterować procesem, a nie tylko odrzucać produkt

Pomiar średnicy i owalności ma największą wartość wtedy, gdy można powiązać wynik z tym, co działo się wcześniej w procesie.

Jeżeli pojawia się odchylenie średnicy, technolog powinien mieć możliwość oceny, czy w tym samym czasie zmieniły się:

• prędkość ślimaka,
• moment obrotowy,
• temperatura stopu,
• ciśnienie przed głowicą,
• wydatek dozownika,
• prędkość odciągu,
• warunki chłodzenia.

Nie chodzi zatem o zbieranie maksymalnej liczby danych. Największą wartość daje możliwość powiązania zmiany jakości filamentu ze zmianą warunków procesu.

Dlaczego filament nie trzyma średnicy? Diagnostyka procesu

Taka diagnostyka pokazuje, dlaczego linia powinna być traktowana jako system. Problem widoczny przy nawijarce może mieć źródło znacznie wcześniej – nawet w przygotowaniu surowca lub dozowaniu.

Pompa stopionego tworzywa – kiedy warto stabilizować przepływ niezależnie?

W części procesów dodatkowym elementem linii może być pompa stopionego tworzywa. Jej zadaniem nie jest naprawianie źle pracującej wytłaczarki, lecz zwiększenie możliwości stabilizacji przepływu i ciśnienia stopu przed głowicą.

Może mieć znaczenie szczególnie tam, gdzie wymagana jest wysoka stabilność geometryczna produktu, a zmiany ciśnienia po stronie wytłaczarki zaczynają wpływać na wymiary filamentu.

SiTech3D przewiduje możliwość pracy swoich wytłaczarek filamentowych z pompą stopionego tworzywa lub bez niej, zależnie od konfiguracji procesu.

Od laboratorium do produkcji – skalowanie nie jest prostym powiększeniem urządzenia

Proces opracowany na małej wytłaczarce nie powinien być przenoszony do produkcji wyłącznie przez proporcjonalne zwiększenie prędkości i wydajności.

Wraz ze zmianą skali zmieniają się m.in.:

• czas przebywania materiału,
• transport i wymiana ciepła,
• intensywność ścinania,
• homogenizacja,
• zachowanie układu chłodzenia,
• bezwładność regulacji,
• ilość materiału potrzebna do ustabilizowania procesu,
• czas i koszt przezbrojenia.

Dlatego laboratoryjna linia filamentowa nie jest po prostu „małą linią produkcyjną”. Jej ważną funkcją jest uzyskanie wiedzy procesowej: określenie przetwarzalności formulacji, identyfikacja wrażliwych parametrów i przygotowanie danych potrzebnych do dalszego skalowania.

Laboratoryjne linie SiTech3D mogą być konfigurowane z wytłaczarkami jedno- i dwuślimakowymi, dozowaniem grawimetrycznym i bocznym, pomiarem średnicy online, chłodzeniem, odciągiem oraz nawijaniem. Są przeznaczone właśnie do analizowania zależności między składem materiału, parametrami procesu i jakością gotowego filamentu.

Największa wydajność w kg/h nie zawsze oznacza najlepszą ekonomikę procesu

Przy wyborze linii produkcyjnej łatwo skoncentrować się na maksymalnej wydajności. W praktyce ekonomika procesu zależy również od tego, jak szybko linia osiąga stabilne warunki i jak dużą część materiału można sprzedać jako produkt zgodny ze specyfikacją.

Znaczenie mają m.in.:

• ilość odpadu podczas rozruchu,
• ilość materiału pozostającego w układzie,
• czas czyszczenia,
• czas zmiany koloru lub formulacji,
• czas uzyskania stabilnej średnicy,
• zużycie drogich surowców podczas prób i przezbrojeń,
• powtarzalność kolejnych partii,
• zakres pracy wymagający udziału operatora.

Jest to szczególnie istotne w R&D, produkcji krótkoseryjnej oraz przy materiałach takich jak PEEK czy formulacje wysoko napełnione, gdzie koszt surowca i strata materiału podczas ustalania procesu mogą być znaczące.

Jakie dane warto rejestrować podczas produkcji?

Dla prac rozwojowych i produkcji powtarzalnej szczególnie użyteczne jest równoczesne rejestrowanie danych maszyny i danych produktu.

Parametry procesu

• temperatury stref cylindra i głowicy,
• temperatura stopu,
• ciśnienie stopu,
• prędkość ślimaka,
• moment obrotowy lub obciążenie napędu,
• wydajność poszczególnych dozowników,
• prędkość odciągu,
• parametry chłodzenia.

Parametry produktu

• średnica,
• owalność,
• odchylenia wymiarowe w czasie,
• jakość powierzchni,
• parametry partii i szpuli,
• informacje potrzebne do identyfikowalności produktu.

Największą wartością jest możliwość późniejszego zestawienia obu grup danych i odpowiedzi na pytanie: co zmieniło się w procesie, gdy zmieniła się jakość filamentu?

Jak SiTech3D podchodzi do doboru linii?

Punktem wyjścia powinien być produkt i proces, a nie gotowa lista urządzeń.

Przed doborem konfiguracji warto określić:

• rodzaj polimeru bazowego,
• konkretny gatunek surowca, jeśli jest już znany,
• czy materiał jest gotowym compoundem, czy formulacja ma powstawać na linii,
• rodzaj i udział dodatków, włókien lub proszków,
• wymagania dotyczące suszenia,
• docelową średnicę i tolerancję filamentu,
• oczekiwaną wydajność,
• liczbę formulacji i częstotliwość zmian,
• wymagania dotyczące pomiaru średnicy i owalności,
• zakres rejestracji danych,
• docelową masę i format szpul,
• planowane przejście od skali laboratoryjnej do produkcyjnej.

Dopiero wtedy można odpowiedzialnie określić:

wytłaczarkę jedno- czy dwuślimakową, sposób dozowania, liczbę dozowników, potrzebę zastosowania podajników bocznych, odgazowania, pompy stopu, geometrię głowicy, chłodzenie, pomiar, sposób sterowania odciągiem oraz nawijanie.

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

Profesjonalna produkcja filamentu wymaga połączenia wiedzy materiałowej, inżynierii procesu, automatyki i kontroli produktu. Nie ma jednej konfiguracji optymalnej dla każdego polimeru i każdej formulacji.

W jednym projekcie najwłaściwszym rozwiązaniem będzie prosta i stabilna linia jednoślimakowa pracująca na gotowym compoundzie. W innym potrzebny będzie układ dwuślimakowy z kilkoma dozownikami, podawaniem bocznym i odgazowaniem. Jeszcze inny proces będzie wymagał szczególnej kontroli temperatury, pompy stopu albo rozbudowanego systemu pomiarowego.

Rolą projektu technologicznego jest ustalenie tego przed budową linii, a nie dopiero podczas prób produkcyjnych.

Najczęściej zadawane pytania

Czy każdą linię do filamentu można zbudować na wytłaczarce jednoślimakowej?

Nie. Wytłaczarka jednoślimakowa jest bardzo dobrym rozwiązaniem dla odpowiednio przygotowanych i jednorodnych materiałów. Jeżeli proces ma obejmować intensywne mieszanie, opracowywanie własnej formulacji, włókna, proszki albo kilka niezależnie dozowanych komponentów, korzystniejszy może być układ dwuślimakowy.

Czy do filamentu CF lub GF zawsze potrzebna jest wytłaczarka dwuślimakowa?

Nie. Jeżeli producent korzysta z gotowego compoundu zawierającego włókno, może być możliwe jego formowanie na odpowiednio dobranym układzie jednoślimakowym. Wytłaczarka dwuślimakowa nabiera szczególnego znaczenia, kiedy wytwarzanie lub modyfikowanie kompozytu ma być częścią procesu.

Dlaczego przy produkcji filamentów stosuje się dozowanie grawimetryczne?

Ponieważ umożliwia kontrolowanie rzeczywistego strumienia masowego składników. Ma to znaczenie dla powtarzalności barwy, udziału dodatków funkcjonalnych oraz składu formulacji podczas całej partii produkcyjnej.

Kiedy stosuje się podajnik boczny?

Wtedy, gdy określony składnik korzystniej jest wprowadzić do już uplastycznionego polimeru, a nie do głównego zasypu. Dotyczy to m.in. części włókien, proszków i napełniaczy. Miejsce podawania powinno być dobrane razem z konfiguracją ślimaków.

Czy można stosować jedną tabelę parametrów dla wszystkich gatunków PLA, PA lub PEEK?

Nie. Nawet materiały należące do tej samej rodziny mogą mieć różną lepkość, zawartość dodatków i wymagania procesowe. Punktem wyjścia powinna być dokumentacja konkretnego gatunku oraz wyniki prób.

Czy kontrola średnicy 1,75 mm wystarczy do oceny jakości?

Nie. Ważne są również owalność, krótkookresowa zmienność wymiaru, jakość powierzchni, jednorodność formulacji i powtarzalność całej partii. Istotna jest również jakość nawinięcia.

Jak rozpocząć rozwój własnego filamentu?

Od zdefiniowania materiału bazowego, dodatków i wymaganych właściwości produktu. Następnie warto przeprowadzić próby w skali laboratoryjnej, ustalić stabilne okno procesowe i zależności pomiędzy formulacją a jakością filamentu. Dopiero później należy skalować rozwiązanie do oczekiwanej wydajności produkcyjnej.

Powiązane rozwiązania SiTech3D

• Linie produkcyjne filamentów do drukarek 3D
• Laboratoryjne linie do badań materiałów na filamenty 3D
• Wytłaczarki jednoślimakowe
• Wytłaczarki dwuślimakowe
• Dozowanie grawimetryczne i wolumetryczne
• Compoundowanie polimerów i kompozytów
• Filamenty metalowe i formulacje wysoko napełnione
• Pomiar geometrii filamentu online