• en
  • de
2020-04-16

Żywotność drukarek 3D i elementów drukowanych

Jak żywotne są drukarki 3D? To pytanie warto sobie zadać, stając przed wyborem drukarki 3D. Żywotność sprzętu w dużym stopniu wpływa na ogólne koszty związane z jego użytkowaniem. W tym artykule opiszemy elementy drukarek, które są szczególnie wrażliwe na awarie i zużycie. Sformułujemy także kilka podstawowych zasad, których przestrzeganie pomoże zwiększyć trwałość każdej drukarki 3D.

Najczęstsze uszkodzenia drukarek 3D

Jednym z bardziej wrażliwych elementów drukarki 3D są łożyska. Mogą zarówno zużyć się w wyniku normalnego użytkowania, jak i ulec przetarciu w sposób przyspieszony. Podczas gdy pierwszy przypadek jest nieodzownym skutkiem prawidłowej eksploatacji i wynika z ograniczonej żywotności samych łożysk, wariantu drugiego można uniknąć poprzez zapewnienie regularnego smarowania prowadnic. Innym czynnikiem, który przyspiesza zużywanie się łożysk, są używane w druku 3D kleje adhezyjne i ich osiadanie na prowadnicach. Najlepszym rozwiązaniem jest każdorazowy demontaż wierzchniej warstwy stolika i opryskiwanie jej klejem przy zapewnieniu całkowitej izolacji od pozostałych elementów drukarki. 

Kolejnym podatnym na uszkodzenia elementem jest dysza. W drukarkach 3D stosuje się dysze mosiężne i stalowe. Pierwsze zapewniają dzięki wyższej przewodności cieplnej zapewniają lepsze pracy, drugie z kolei są bardziej odporne na ścieranie. Jest to bardzo istotne przy drukowaniu z wykorzystaniem filamentów specjalnych zawierających nietopliwe lub trudnotopliwe dodatki (np. cząsteczki miedzi, mosiądzu, brązu, kamienia, drewna czy karbonu). W takich przypadkach wytrzymałość drukarki 3D niekiedy może być definiowana przez wytrzymałość samej dyszy.

Trzecim elementem mającym istotny wpływ na trwałość drukarki 3D jest łącznik hotendu. Ze względu na bezpośrednią styczność z dyszą jest wystawiony na działanie wysokich temperatur. Konektor hotendu występuje w dwóch wersjach: z wyściółką teflonową (PTFE) oraz full metal. Pierwszy wariant wytrzymuje temperatury do ok. 260°C. Powyżej tej granicy część teflonowa może zostać stopiona, co skutkuje nieodwracalnym uszkodzeniem konektora i koniecznością jego wymiany. Na rodzaj łącznika warto zwrócić uwagę zwłaszcza przy korzystaniu z filamentów o wysokiej temperaturze topnienia. 

Czwartym przykładem komponentu drukarki 3D, który może ulec uszkodzeniu, są części elektroniczne. Najczęściej uszkodzenia elektroniki powstają na skutek działania wysokiej temperatury. W związku z tym na ich trwałość ma wpływ głównie konstrukcja samej drukarki 3D - ważne jest, aby komponenty elektroniczne były możliwie jak najlepiej odizolowane od elementów wydzielających duże ilości ciepła, zwłaszcza od dyszy. W przeciwnym razie występuje ryzyko przedwczesnej awarii urządzenia. 

Wytrzymałość wydruków 3D 

Wytrzymałość wydruków 3D jest równie ważnym aspektem, jak trwałość samych drukarek 3D. Jak więc kształtuje się trwałość druku 3D i jakie czynniki mają na nią wpływ? Na te pytania również postaramy się odpowiedzieć w tym artykule.

Jakie czynniki wpływają na trwałość druku 3D? 

Znaczący wpływ na trwałość wydruków 3D ma materiał, z jakiego są tworzone. Na rynku dostępne są filamenty o różnych właściwościach. Do najpopularniejszych z nich należą PLA, PET-G i ABS. PLA cechuje się twardością i łamliwością oraz brakiem odporności na wysokie temperatury ze względu na płynięcie powyżej ok. 50°C. ABS z kolei odznacza się większą wytrzymałością, elastycznością i odpornością temperaturową w stosunku do PLA, jest natomiast wrażliwy na czynniki chemiczne (np. aceton). PET-G oferuje właściwości wytrzymałościowe zbliżone do ABS, zapewniając jednocześnie większą odporność chemiczną. Wszystkie wymienione materiały są jednak nieodporne na działanie UV. Odporność wydruku 3D na światło ultrafioletowe (a więc również światło słoneczne) można osiągnąć, stosując na przykład tworzywo ASA. W przypadku filamentów wykonanych z materiałów higroskopijnych (np. nylon) podczas druku mogą powstawać wady struktury ze względu na nierównomierne rozprowadzanie topionego materiału wywołane zmianami fazowymi zaabsorbowanej przez niego wody. Takie zmiany strukturalne często prowadzą do obniżenia wytrzymałości. 

Poza użytym materiałem na trwałość wydruku 3D ma również wpływ sposób druku, a konkretnie jego parametry, takie jak stopień wypełnienia, grubość warstw i orientacja przedmiotu w przestrzeni roboczej. Pierwszy parametr określa de facto gęstość materiału, co bezpośrednio przekłada się na wytrzymałość przedmiotu. Należy jednak pamiętać, że duże wypełnienie nie jest wskazane w przypadku materiałów o dużym skurczu (np. ABS) ze względu na możliwość wystąpienia naprężeń skurczowych i pęknięć. Podobnie jak wypełnienie, grubość warstw również bezpośrednio wpływa na wytrzymałość - im grubsze warstwy są stosowane podczas druku, tym większe naprężenia wytrzymuje wydrukowany element. Wpływ orientacji przedmiotu na trwałość wydruków 3D wynika z anizotropii struktury materiału - teoretycznie izotropowe materiały, jakimi jest większość tworzyw sztucznych, zachowują tę właściwość tylko w ujęciu lokalnym, to jest w obrębie pojedynczej warstwy. Oznacza to, że wydrukowane w 3D przedmioty z uwagi na swoją warstwową budowę wykazują różną wytrzymałość w zależności od kierunku obciążenia. Potencjalne pęknięcia najczęściej będą występować wzdłuż warstw, dlatego orientacja przedmiotu podczas druku powinna uwzględniać jego przyszłe warunki pracy.

Jak testować trwałość druku 3D?

Testowanie wytrzymałości i trwałości druku 3D można przeprowadzać podobnie jak w przypadku innych materiałów i przedmiotów. Standardowe metody obejmują testy laboratoryjne z wykorzystaniem maszyny wytrzymałościowej - tego typu procedury mogą dać dokładne, liczbowe wyniki co do rzeczywistej wytrzymałości określonej struktury wykonanej z danego materiału. Drugim sposobem przetestowania wydruków 3D pod kątem ich trwałości jest sprawdzenie, jak wydrukowane elementy radzą sobie w docelowym środowisku i rzeczywistych warunkach pracy. Ta metoda z kolei może dostarczyć jednoznaczną odpowiedź na to, czy wydruk spełnia założone wymagania jakościowe.