Средство для улучшения адгезии первого слоя при трехмерной печати по FDM-технологии различными полимерными материалами
MEANS FOR IMPROVEMENT OF ADHESION OF FIRST LAYER IN THREE-DIMENSIONAL PRINTING BY FDM TECHNOLOGY WITH DIFFERENT POLYMER MATERIALS

Изобретение относится к трехмерной печати по FDM технологии различными полимерными материалами, например, полилактидом (далее PLA), полиэтилентерефталатгликолем (далее PETG), высокопрочным полистиролом (далее HIPS), акрилонитрил бутадиен стиролом (далее ABS) и иными.
Из существующего уровня техники известны средства применяемые для улучшения адгезии первого слоя материала к поверхности стола принтера при печати по FDM технологии различными полимерными материалами.
В источниках [1], [2] автор описывает применение в качестве средства №1 для улучшения адгезии первого слоя клей карандаш. Его наносят на поверхность разогретого до рабочей температуры стола непосредственно перед началом печати. Данному техническому решению присущи следующие недостатки:
1. Вследствие густой консистенции клей карандаш невозможно нанести равномерным слоем на стол за короткий промежуток времени, что приводит к неровному первому слою печатаемого изделия и отклонению его геометрических параметров.
2. Формирование первого слоя распечатываемого изделия должно быть завершено до того момента, как нанесенный слой средства №1 высохнет, в противном случае изделие в процессе печати отслоится от стола, данный дефект называется деламинацией.
3. Для удаления высохшего слоя средства №1 необходимо длительно выдерживать стол принтера в воде или ином растворителе, либо удалять механически что приводит к повреждению поверхности стола.
4. После окончания печати для демонтажа напечатанного изделия с поверхности стола необходимо применять механическое воздействие, т.е. срезать изделие лезвием либо скребком, что приводит к повреждению поверхности стола и самого изделия.
В источнике [3] автор описывает в качестве средства №2 для улучшения адгезии спиртовой раствор клея БФ-2, который наносят на поверхность стола заранее, в несколько слоев, затем сушат в течение нескольких часов. Данному техническому решению присущи следующие недостатки:
1. Слои средства №2 накапливаются на поверхности стола принтера изменяя зазор до среза сопла, что приводит к необходимости проводить калибровку стола в случае отсутствия технической возможности автокалибровки.
2. Средство №2 растворяется спиртом (например, изопропиловым) и не растворимо в воде, следовательно, для очистки стола необходимо длительно выдерживать стол полностью погруженным в спирт.
В источнике [4] описывается применение в качестве средства №3 для улучшения адгезии раствор ABS в ацетоне, который наносят заранее на поверхность стола до начала его нагрева; при нанесении на уже нагретый, например, до 70°С стол средство №3, по заявлению автора, начинает закипать, поверхность стола покрывается пузырьками, что делает невозможным качественную печать изделия. Данному техническому решению присущи следующие недостатки:
1. Средство №3 растворяется ацетоном, для очистки стола необходимо длительно выдерживать стол принтера полностью погруженным в ацетон.
2. Слои средства №3 накапливаются на поверхности стола принтера изменяя зазор до среза сопла, что приводит к необходимости проводить калибровку стола в случае отсутствия технической возможности автокалибровки.
3. Применение средства №3 допустимо только в хорошо проветриваемом помещении из-за присутствия в составе ацетона. Пары ацетона ядовиты и относятся к IV классу опасности [5].
4. Средство №3 подходит только для улучшения адгезии первого слоя изделия при печати ABS пластиком.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является средство №4, описанное в источнике [6]. Автор описывает применение в качестве средства №4 для улучшения адгезии раствор сахара (ГОСТ 33222 - 2015) в воде. Воду, для лучшей растворимости сахара, автор предлагает нагревать. Средство №4 наносится на нагретую поверхность стола (70-80°С) за некоторое время до начала печати, достаточное для того, чтобы испарилась вся вода, входящая в состав средства №4. После окончания печати изделия в ходе снижения температуры изделие отделяется от поверхности стола без дополнительных механических операций, вследствие разных коэффициентов температурного расширения материалов изделия и поверхности стола и усадки полимерного материала изделия. В статье не раскрыта концентрация сахара в воде, не приводятся условия изготовления состава (температура воды, длительность перемешивания и т.д.). Данному техническому решению присущи следующие недостатки:
1. В составе средства №4 отсутствуют компоненты, обезжиривающие поверхность стола, например, изопропиловый или иной спирт, что приводит к необходимости осуществлять дополнительную операцию обезжиривания поверхности стола перед нанесением состава №4.
2. Основа состава №4 - вода, вследствие отсутствия в составе средства №4 летучих компонентов (спиртов либо иных органических растворителей) необходимо больше времени для испарения жидкости, что приводит к увеличению длительности процесса изготовления изделия и снижает производительность оборудования.
Техническими задачами, на решение которых направлено заявленное изобретение является повышение точности метода трехмерной печати по FDM технологии различными полимерными материалами, увеличение ресурса оборудования, повышение технологичности и производительности процесса FDM печати, снижение вредного воздействий на организм оператора.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение процента брака при производстве изделий методом трехмерной печати по FDM технологии, повышение точности геометрических размеров изделий, отсутствие дефектов поверхности первого слоя изделий, сокращение времени изготовления изделий, универсальность для ряда полимерных материалов, отсутствие токсического воздействия.
Данные задачи решаются за счет того, что патентуемое средство содержит в составе компоненты в следующих массовых соотношениях, например, мас. ч: сахароза - 15-30, летучий обезжириватель-растворитель (например, этанол или изопропанол) - 40-50, вода - 20-45.
Благодаря наличию в составе сахарозы патентуемое средство усиливает адгезию первого слоя распечатываемого изделия к поверхности стола принтера, что позволяет избежать ситуации, при которой изделие частично или полностью отделяется от поверхности стола до завершения процесса печати, это явление носит название деламинация. Если деламинация возникает локально, например, от поверхности стола отделяются углы изделия, то возникает дефект отклонения формы что снижает точность изделия. Если деламинация охватывает всю площадь первого слоя изделия, то дальнейшее продолжение печати невозможно ввиду смещения уже напечатанных слоев изделия относительно ненапечатанных, изделие бракуется.
Низкая вязкость предложенного состава обуславливает быстрое и равномерное нанесение патентуемого средства на поверхность стола принтера, что обеспечивает отсутствие дефекта отклонения формы первого слоя изделия и повышает точность его изготовления. Благодаря малой толщине слоя и водорастворимости всех компонентов, входящих в состав патентуемого средства, очистка поверхности стола принтера осуществляется мягкой тканью или губкой смоченной водой, что позволяет избежать осаждения на поверхности стола высохшего средства.
Наличие в составе патентуемого средства летучего обезжиривателя-растворителя позволяет в рамках одной операции реализовать как нанесение средства, так и обезжиривание поверхности стола принтера, что приводит к усилению адгезии первого слоя изделия и позволяет исключить из производственного процесса операцию обезжиривания рабочей поверхности стола. С другой стороны, высокая скорость испарения летучего обезжиривателя-растворителя позволяет сократить временной интервал между нанесением средства на поверхность стола и началом печати, что сокращает длительность цикла производства изделия и позволяет повысить производительность без изменения существующих производственных мощностей.
При печати полимерными материалами с коэффициентом усадки не менее 0,3% после окончания печати изделие самопроизвольно отделяется от поверхности стола в ходе снижения температуры его поверхности, что обуславливает отсутствие необходимости в дополнительных операциях по демонтажу изделия, повышает производительность и упрощает технологический процесс. Благодаря отсутствию операции демонтажа изделия со стола принтера увеличивается срок службы оборудования за счет отсутствия механического воздействия на поверхность стола.
Патентуемое средство допустимо использовать с различными типами полимерных материалов, таких как PLA, PETG, ABS, HIPS и другими, что обуславливает универсальность средства и повышает технологичность процесса FDM печати.
Отсутствие в составе патентуемого средства токсичных компонентов, например, ацетона [5] обуславливает отсутствие вредного воздействия на организм оператора.
Патентуемое средство изготавливается следующим образом: за основу принимается очищенная от механических примесей вода, в которую добавляют летучий обезжириватель-растворитель (в роли которого может выступать, например, этанол или изопропанол), в полученную смесь добавляют сахарозу и перемешивают до полного растворения. Массовое содержание компонентов может быть следующим, мас. ч: сахароза - 15-30, летучий обезжириватель-растворитель (например, этанол или изопропанол) - 40-50, вода - 20-45. Для интенсификации процесса растворения сахарозы водный раствор летучего обезжиривателя-растворителя допустимо нагреть, например, до температуры 60-80°С. Полученное средство технологично в изготовлении, допускает длительное хранение без образования осадка и потери свойств.
Применение патентуемого средства осуществляется следующим образом: средство наносится на предварительно разогретую до рабочей температуры поверхность стола принтера с помощью тканевой либо бумажной салфетки, либо путем распыления через специальные форсунки. Завершить нанесение средства необходимо заблаговременно, для того чтобы водный раствор летучего обезжиривателя-растворителя полностью испарился до начала формирования первого слоя изделия. В конечном итоге на поверхности стола образуется тонкий равномерный слой сахарозы, усиливающий адгезию полимерного материала к поверхности стола принтера.
Испытания патентуемого средства проводились на принтерах для трехмерной печати Creality Ender 3 и Wanhao Duplicator Mark II 9/500. В отношении полимерных материалов, испытания проводились на следующих типах пластиков: PL A, PETG, HIPS. Суммарно произведено более 100 различных изделий из всех перечисленных типов полимерных материалов, при этом процент брака не превысил 1%, дефекты отклонения формы отсутствовали.
Заявленное средство соответствует критерию изобретения «промышленная применимость», поскольку оно может быть многократно произведено и использовано по своему назначению, повышает технологичность и производительность процесса FDM печати, допускает длительное хранение без потери свойств.
Использованные источники
1. Сравнение клей-карандашей или снова об адгезии. // 3D Today [Электронный ресурс] // URL: https://3dtoday.ru/blogs/seducer/compare-gluecrayons-or-again-about-the-adhesion (первая сохраненная копия страницы датируется 02.10.2016 по данным сервиса «Web Аrchive»).
2. И снова об адгезии... (клей-карандаши часть 2). // 3D Today [Электронный ресурс] // URL: https://3dtoday.ru/blogs/mister-magomedov80-yandex-ru/and-again-about-the-adhesion-/?commentId=197842 (первая сохраненная копия страницы датируется 22.02.2017 по данным сервиса «Web Аrchive»).
3. Еще один рецепт приготовления поверхности стола. // 3D Today [Электронный ресурс] // URL: https://3dtoday.ru/blogs/berring/eshche-odin-retsept-prigotovleniya-poverkhnosti-stola (первая сохраненная копия страницы датируется 16.01.2019 по данным сервиса «Web Аrchive»).
4. Методы борьбы с отлипанием модели от стола. // 3D Today [Электронный ресурс] // URL: https://3dtoday.ru/blogs/rec/methods-of-dealing-with-otlipanie-models-from-the-table/?commentId=48918 (первая сохраненная копия страницы датируется 21.07.2016 по данным сервиса «Web Аrchive»).
5. Ацетон. // Википедия Свободная энциклопедия. [Электронный ресурс] //URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ацетон (первая сохраненная копия страницы датируется 30.04.2005 по данным сервиса «Web Аrchive»).
6. Сахар для адгезии. // 3D Today [Электронный ресурс] //
URL: https://3dtoday.ru/blogs/vioss/sugar-for-adhesion- (первая сохраненная копия страницы датируется 01.12.2017 по данным сервиса «Web Аrchive»).