Атлас и классификация дефектов в экструзионной 3D-печати (по В.П.Ананикову)

Материал воспроизводится из статьи: [ссылка] по лицензии CC-BY.

Оглавление

Сводная схема дефектов в соответствии с их размерами

Классификация дефектов 3D-печати методом послойного наплавления

Причины дефектов и способы их минимизации и устранения

Сводная схема дефектов в соответствии с их размерами; рисунок из работы: [ссылка].

Технологии аддитивного производства (или 3D-печать) стали мощным инструментом создания разнообразных объектов, постепенно приводя к смене парадигмы процессов исследования и производства в разных отраслях. Применение аддитивных технологий в химии позволяют реализовать цифровой дизайн и изготовление реакторов сложной топологии. Однако преимущества этих технологий могут быть снижены или сведены к нулю использованием неоптимальных параметров печати или некачественных материалов, что приводит к появлению дефектов, существенно ухудшающих качество и функциональность получаемых продуктов. Неглубокое понимание процессов формирования дефектов не позволяет разработать эффективные методы их предотвращения.

Одним из наиболее популярных методов 3D-печати является послойное наплавление термопласта (fused filament fabrication, FFF). Это обусловлено низкой начальной стоимостью персональных 3D-принтеров, а также широким ассортиментом термопластичных материалов для печати. При помощи данной технологии можно изготавливать изделия не только из традиционных термопластов, например, полилактида, сополимера акрилонитрил-бутадиен-стирол и ударопрочного полистирола, их композитов, а также из таких материалов, как полиэтилентерефталатгликоль, поликарбонат и полиоксиметилен. Важнейшим преимуществом FFF-печати является использование суперконструкционных материалов – полиэфирэфиркетона и полифенилсульфона, что значительно расширяет область применения и позволяет создавать инженерные устройства высокой надежности.

Метод FFF заключается в послойном нанесении термопластичного материала. Пруток (филамент) материала подается в нагретое сопло, где переходит в вязкотекучее состояние, после чего наносится на поверхность нагретого столика в заданных точках, а затем охлаждается и затвердевает.

Схематическое изображение, показывающее качественную печать и дефекты экструзионной 3D-печати (FFF 3D-печать).

(А) – принцип изготовления изделий, (Б) – изделие высокого качества, (В) – изделие низкого качества с различными дефектами; рисунок из работы: [ссылка].

Теоретически должны получаться идеально выверенные геометрические формы с высокой адгезией между слоями. Однако в реальности нагрев и последующие охлаждение термопласта, сопровождающиеся расширением, сжатием и, в ряде случаев, изменением кристалличности, могут приводить к возникновению дефектов как на макро-, так и на микроуровне. Их появление может быть обусловлено как природой самого материала (составом), так и неоптимальными параметрами печати. Филаменты коммерческих производителей могут отличаться составом материала, например, наличием пластификаторов, а также длиной полимерной цепи, что в конечном итоге влияет на результаты печати и свойства изделия.

Минимизация дефектности является одним из основных направлений современных исследований в области аддитивных технологий, поскольку это ключ к расширению диапазона их практического применения. Однако отсутствие понимания механизма образования и контроля дефектности сводит на нет достоинства аддитивных технологий. В целом ряде ключевых направлений технологического развития именно проявление дефектности структуры является критическим недостатком и сдерживающим фактором для технологий 3D-печати.

Таблица 1. Классификация дефектов 3D-печати методом послойного наплавления; подробнее см. [ссылка].

геометрический размер:

а) сантиметровые,

б) миллиметровые,

в) микрометровые,

г) ангстремного диапазона;

пространственная топология:

а) точечные (0D),

б) линейные (1D),

в) плоские (2D),

г) объемные (3D),

д) меняющиеся во времени (4D);

природа:

а) деформационные,

б) связанные с отклоняющимся от нормы количеством материала;

локализация:

а) внешние,

б) внутренние,

в) комбинированные.

Атлас дефектов 3D-печати

Усадка

Усадка (shrinkage) — свойство материала уменьшаться в объеме в процессе отверждения. Численно данный дефект выражается в процентах к начальному объему.

Схематическое изображение усадки; рисунок из работы: [ссылка].

Короблени

Коробление (warping) — это дефект, который представляет собой изменение плоскостности печатаемой детали. Его можно обнаружить визуально и с помощью измерительных средств.

Схематическое изображение коробления; рисунок из работы: [ссылка].

Смещение слоев

Визуально дефект смещения слоев (layer shifting) представляет собой некорректное расположение слоя относительно предыдущего слоя по оси X или Y. Размер дефекта может быть меньше ширины экструзии и не приводить к серьезным отклонения геометрической формы или критичному снижению физико-механических свойств детали.

Схематическое изображение смещения слоя; рисунок из работы: [ссылка].

Расслоение/слабое связывание

Расслоение/слабое связывание (delamination/weak bonding) проявляются в виде разломов, которые образуются вдоль направления слоя и возникают только между слоями. Чаще всего этот дефект начинается на углах и по периметру детали, а затем распространяется по слою.

Схематическое изображение расслоения; рисунок из работы: [ссылка].

Скручивание (неровные углы)

Скручивание (curling/rough corners) визуально напоминает коробление, но образуется на верхних углах детали.

Схематическое изображение скручивания; рисунок из работы: [ссылка].

Пустоты

Пустоты (gaps) выглядят как полости. Они могут иметь разную форму (от округлой до продолговатой) и размеры до от 1 мм и больше, локализуются как внутри слоев (у периметра и в глубине), так и между ними.

Схематическое изображение пустот (вид слоя сверху) ; рисунок из работы: [ссылка].

Нити

Нити (stringing) проявляются в виде нитей материала, повисающих между отдельно расположенными частями изделия. Их образование приводит к необходимости пост-обработки поверхности изделия.

Схематическое изображение нитей; рисунок из работы: [ссылка].

Переэкструзия

Переэкструзия (over-extrusion) представляет собой подачу избыточного количества материала, что приводит к несоответствию изделия цифровой модели. Переэкструзия приводит к отклонению изделия от заданной формы.

Схематическое изображение переэкструзии (вид слоя сверху); рисунок из работы: [ссылка].

Недоэкструзия

Недоэкструзия (under-extrusion) – дефект, противоположный переэкструзии. Он проявляется в нанесении материала в недостаточном количестве, меньшем, чем указано в цифровом файле. Это приводит к образованию пустот и пор как внутри слоев, так и между ними, что сказывается на прочности получаемых изделий.

Схематическое изображение недоэкструзии (вид слоя сверху); рисунок из работы: [ссылка].

Ребристость

Под ребристостью (banding) понимается неровная вертикальная/боковая поверхность напечатанного изделия. Дефект может проявляться как в виде четко выраженных выпуклых линий/слоев на боковой поверхности изделия, так и в виде волнистой поверхности.

Схематическое изображение ребристости; рисунок из работы: [ссылка].

Трещины

Трещины (cracks) в изделиях могут появляться при печати в случае использования материалов с наполнителями ¾ керамикой, металлами, углеродными материалами и т.д. Трещины распространяются в материале вдоль точек с наименьшей прочностью. Поэтому с бóльшей вероятностью они образуются между слоями и по ходу нанесения пластика при печати.

Схематическое изображение трещин; рисунок из работы: [ссылка].

Пузыри

Пузыри (blobs) проявляются в виде шариков или наплывов на поверхности детали.

Схематическое изображение пузырей; рисунок из работы: [ссылка].

Поры

Поры (voids) представляют собой области изделия, не заполненные материалом. В отличие от пустот поры имеют меньший размер (порядка сотен микрометров и меньше). Поры могут формироваться на поверхности изделия и в приповерхностном слое, а также внутри слоя и между слоев.

Схематическое изображение пор; рисунок из работы: [ссылка].

Молекулярный разрыв

Перегрев материала при печати может вызывать термическое разложение полимера, обусловленное разрывом химических связей и разрушением полимерной цепи. Данный процесс сопровождается образованием новых продуктов со свойствами, отличными от таковых у исходного полимера. Это может приводить к негомогенности свойств материала в изделии, а также давать начало другим дефектам (например, порам).

Схематическое изображение молекулярных дефектов; рисунок из работы: [ссылка].

Дефекты при печати композитными материалами

Композитные материалы широко применяются в FFF печати. Дефекты, описанные в предыдущих разделах нашего обзора, в полной мере применимы к композитным материалам; однако такие материалы имеют ряд собственных дефектов, связанных с наличием в материале распределенных наполнителей. Наиболее значимыми дефектами являются неравномерное распределение волокон в полимерной матрице и слабое связывание между частицами композита и полимерной матрицей.

При изготовлении деталей из композитных материалов методом печати FFF из-за присутствия распределенного наполнителя в материале возрастает вероятность засорения сопла, что может привести к неравномерной экструзии вплоть до прерывания печати. Кроме того, засорение сопла может привести к образованию пор и пустот. Благодаря наличию в материале распределенного наполнителя, повышающего абразивные свойства экструдата, срок службы стандартных сопел, изготовленных из латуни, значительно сокращается.

Причины дефектов и способы их минимизации и устранения

3D-печать представляет собой революционный шаг в области инновационных производственных технологий. Оптимальный выбор параметров печати имеет первостепенное значение, поскольку он оказывает глубокое влияние на эксплуатационные характеристики изготавливаемых изделий.

В таблице 2 рассмотрены причины образования рассмотренных дефектов экструзионной 3D-печати и предлагаются методы их устранения с помощью соответствующего выбора параметров 3D-печати. Наиболее важными параметрами 3D-печати, влияющими на совокупность дефектов изделия, являются температура экструдера и скорость печати, а также скорость подачи материала.

Для каждого материала требуется свой собственный набор параметров печати, определяемых как присущими материалу свойствами (температура стеклования и температура плавления, адгезия, коэффициент теплового расширения), так и требующимися эксплуатационными характеристиками конечного продукта (прочность, вес и т.д.).

Таблица 2. Причины дефектов и способы их минимизации и устранения; подробнее см. [ссылка].

Дефект	Причина образования	Способ устранения/минимизации
Усадка	Быстрое охлаждение слоя Влажный материал Некачественный материал	Увеличение скорость печати Увеличение высоты слоя Сушка пластика
Коробление	Термомеханические напряжения в детали при охлаждении Высокое отношение длины к ширине Большая толщина стенки Высокий процент заполнения	Постоянная температура окружающей среды Очистка поверхности столика Использование адгезивных средств Уменьшение процента заполнения до менее чем 20 Использование не более двух или трех стенок по периметру Увеличение числа полей(brim)
Смещение слоев	Неправильное перемещение экструдера	Проверьте подвижные части осей системы позиционирования на наличие механических повреждений и люфтов Отрегулируйте 3D-модель, чтобы избежать сложной для печати геометрии, особенно для моделей с большими выступающими частнями, которые имеют тенденцию деформироваться во время печати
Расслоение/слабое связывание	Сильная усадка материала Недостаточная температура экструдера и/или нагревательного cтолика Чрезмерный обдув и/или переохлаждение детали	Постоянная температура окружающей среды Установка защитного кожуха области печати от потоков воздуха Повышение температуры экструдера на 5-10°C
Скручивание	Прилипание к соплу и к экструдату, перегретого или недостаточно охлажденного материала Неконтролируемое вытекание материала	Уменьшение скорость печати Увеличение интенсивности обдува детали Уменьшение температуры экструдера на 5-10 °C
Пустоты	Плохая адгезия как между слоями, так и между отдельными частями потока	Увеличение температуры экструдера и/или столика Уменьшение скорости печати Уменьшение высоты слоя и увеличение ширины экструзии Увеличение процента заполнения детали
Нити	Температура экструдера слишком высокая Неправильные настройки втягивания?? материала	Уменьшение температуры экструдера и столика Регулировка скорости втягивания в настройках слайсера
Переэкструзия	Высокая температура экструдера Высокий коэффициент подачи материала	Уменьшение температуры эсктрудера Уменьшение коэффициента подачи материала
Недоэкструзия	Низкая температура экструдера Низкий коэффициент подачи материала	Увеличение температуры экструдера Увеличение коэффициента подачи материала
Ребристость	Подается недостаточное количество материала Неправильное положение по оси Z	Регулировка механики оси Z Обеспечение чистоты сопла Увеличение коэффициента подачи материала/температуры экструдера
Трещины	Нагрузка при наличии пустот	Уменьшение пористости детали Использование сопла с большим диаметром отверстия Увеличение высоты слоя
Пузыри	Неправильные настройки втягивания в конечных точках перемещения Нестабильный диаметр филамента	Регулировка настроек втягивания Использование качественного филамента со стабильным диаметром
Поры	Накопление влаги в материале из-за его гигроскопичности Низкая межслоевая адгезия материала во время печати	Сушка филамента Увеличение температуры экструдера Уменьшение высоты слоя и увеличение ширины экструзии Увеличение процента заполнения детали
Молекулярный дефект	Локальный перегрев прутка во время печати	Использование качественного филамента Строгий температурный контроль

Как цитировать

Русская версия: Ерохин К.С., Наумов С.А., Анаников В.П., "Анализ, классификация и предотвращение образования дефектов в экструзионной 3D-печати", Успехи химии, 2023, 92, 11, RCR5103. [DOI]

Английская версия: Erokhin K.S., Naumov S.A., Ananikov V.P., "Analysis, classification and remediation of defects in material extrusion 3D printing", Russ. Chem. Rev., 2023, 92, 11, RCR5103. [DOI]