W wielu zastosowaniach inżynieryjnych polimery są często modyfikowane poprzez dodanie różnych dodatków. Filamenty mogą być również wypełniane różnymi wypełniaczami i modyfikowane dodatkami, aby uczynić je bardziej odpowiednimi do wymagających zastosowań, w których właściwości standardowego polimeru nie są do końca odpowiednie. Zobaczmy, jakie dodatki i domieszki istnieją i jak wpływają one na właściwości nie tylko gotowego modelu, ale także procesu drukowania.
Z grubsza rzecz biorąc, wszystko, co można dodać do filamentu, można podzielić na 3 grupy:
Wszystkie te dodatki i wypełniacze są dodawane w ten sposób podczas procesu wytłaczania włókien. Tak, nic nowego pod względem chemicznym, z wyjątkiem pewnych zmian strukturalnych w przypadku grupy dodatków, które zmieniają same właściwości polimeru. Najważniejszą rzeczą w tym procesie jest uzyskanie odpowiedniej mieszanki polimeru i dodatku. Wtedy wszystkie nowe właściwości mogą być w pełni wykorzystane. W tym celu stosuje się specjalne wytłaczarki, często dwuślimakowe, które działają głównie jako mieszalniki. Wynikiem tego procesu jest nowy granulat, który można następnie przekształcić w filament. Niektóre dodatki mogą być dodawane bezpośrednio w procesie produkcji filamentu. Ale te subtelności wykraczają poza zakres tego artykułu, więc przejdźmy do samych dodatków.
Powyżej z grubsza podzieliliśmy dodatki na grupy. Przyjrzyjmy się dodatkom w każdej grupie i ich wpływowi na właściwości polimerów.
Pierwsza grupa częściej obejmuje włókna stałe, których rolą jest wzmocnienie polimeru, a w konsekwencji wyższa charakterystyka wytrzymałościowa drukowanego modelu. Włókna to częściej włókna szklane, węglowe lub inne wypełniacze. Mogą być dodawane w celu zwiększenia wytrzymałości i sztywności drukowanych produktów. Mogą one również poprawiać odporność na rozdarcie (włókno węglowe), odporność na ścieranie (teflon) i zwiększać odporność na uderzenia (wypełniacz szklany). Rzadko kiedy stosuje się więcej niż jeden rodzaj włókna jednocześnie, ponieważ każde włókno wpływa na więcej niż jedną właściwość wytrzymałościową. W zależności od charakterystyki samego włókna, np. wielkości cząstek, możemy zmieniać wartości fizyczne. Jednak w przypadku druku 3D mamy dość surowe ograniczenia, związane przede wszystkim z rozmiarem warstwy, podczas ustawiania parametrów drukowania. Dlatego też, szczerze mówiąc, mamy dość ograniczony wzrost wartości wytrzymałości. Nie przeszkadza to jednak w produkcji takich filamentów, ponieważ istnieje ogromny zakres zadań, których konwencjonalne filamenty nie rozwiązują, ale wypełnione na przykład włóknem węglowym radzą sobie z nimi z nawiązką. Warto zauważyć, że takie dodatki są zwykle szkodliwe dla drukarek, prowadząc do częstej wymiany dysz i dodatkowej konserwacji drukarki. Jeśli chodzi o wydajność temperaturową, z pewnością istnieje zmiana, ale nie jest ona krytyczna. Jeśli drukarka może drukować z konwencjonalnego nylonu, może drukować z włókna węglowego.
Przykłady niestandardowych lub nietypowych wypełniaczy obejmują celulozę, która nadaje laminatowi wygląd przypominający drewno. Właściwości fizyczne włókniny są nieco zmniejszone; celuloza nie ma efektu wzmacniającego jako takiego, ale ma pozytywny wpływ na skurcz, zmniejszając go, a także poprawia przyczepność.
Chciałbym również wspomnieć o nanodiamentach jako przykładzie. Dodatek ten może być zarówno ścierniwem, jeśli frakcja cząstek jest większa niż 4 mikrony, jak i mieć dokładnie odwrotne właściwości, jeśli frakcja jest mniejsza niż 4 mikrony. Co więcej, cząstki diamentu poprawiają właściwości mechaniczne, takie jak moduł, dzięki czemu materiał jest bardziej odporny na naprężenia. Firma Plexiwire wykorzystała taki dodatek w produkcji swoich filamentów, a w przyszłości planuje wznowić i rozszerzyć tę gamę.
Przechodząc do drugiej grupy dodatków, chcielibyśmy zwrócić uwagę, że istnieją specyficzne właściwości, które nie są bezpośrednio związane z bezpośrednimi właściwościami polimeru, ale są wymagane do określonych zastosowań, w których czysty polimer nie działa. Istnieje ogromna liczba takich dodatków. Oto kilka często używanych przykładów:
Trzecia grupa jest najbardziej skomplikowana, ponieważ zadaniem takich dodatków jest bezpośrednia zmiana właściwości polimeru. Wśród tych dodatków znajdują się takie, które mogą sprawić, że twardy polimer stanie się miękki lub odwrotnie, zmienić strukturę z krystalicznej na amorficzną, a także takie, które mogą zmniejszyć lub nawet wyeliminować absorpcję wody.
Najbardziej znanym przykładem w druku 3D jest PETG, gdzie podstawowym materiałem jest politereftalan etylenu (PET), a modyfikatorem jest glikol. Modyfikator ten zmienia strukturę krystaliczną PET na amorficzną, zmieniając tym samym właściwości polimeru. Jako kolejny przykład chciałbym wspomnieć o ABS+ - jest to klasyczny przykład dla tej grupy dodatków, gdy dodatek jest wprowadzany bezpośrednio w procesie produkcji filamentu.
Z grubsza rzecz biorąc, wszystko, co można dodać do filamentu, można podzielić na 3 grupy:
- Dodatki, które poprawiają obecne właściwości polimeru
- Dodatki, które dodają właściwości do polimeru
- Dodatki, które modyfikują właściwości polimeru, sprawiając, że różni się on od pierwotnej formy.
Wszystkie te dodatki i wypełniacze są dodawane w ten sposób podczas procesu wytłaczania włókien. Tak, nic nowego pod względem chemicznym, z wyjątkiem pewnych zmian strukturalnych w przypadku grupy dodatków, które zmieniają same właściwości polimeru. Najważniejszą rzeczą w tym procesie jest uzyskanie odpowiedniej mieszanki polimeru i dodatku. Wtedy wszystkie nowe właściwości mogą być w pełni wykorzystane. W tym celu stosuje się specjalne wytłaczarki, często dwuślimakowe, które działają głównie jako mieszalniki. Wynikiem tego procesu jest nowy granulat, który można następnie przekształcić w filament. Niektóre dodatki mogą być dodawane bezpośrednio w procesie produkcji filamentu. Ale te subtelności wykraczają poza zakres tego artykułu, więc przejdźmy do samych dodatków.
Powyżej z grubsza podzieliliśmy dodatki na grupy. Przyjrzyjmy się dodatkom w każdej grupie i ich wpływowi na właściwości polimerów.
Pierwsza grupa częściej obejmuje włókna stałe, których rolą jest wzmocnienie polimeru, a w konsekwencji wyższa charakterystyka wytrzymałościowa drukowanego modelu. Włókna to częściej włókna szklane, węglowe lub inne wypełniacze. Mogą być dodawane w celu zwiększenia wytrzymałości i sztywności drukowanych produktów. Mogą one również poprawiać odporność na rozdarcie (włókno węglowe), odporność na ścieranie (teflon) i zwiększać odporność na uderzenia (wypełniacz szklany). Rzadko kiedy stosuje się więcej niż jeden rodzaj włókna jednocześnie, ponieważ każde włókno wpływa na więcej niż jedną właściwość wytrzymałościową. W zależności od charakterystyki samego włókna, np. wielkości cząstek, możemy zmieniać wartości fizyczne. Jednak w przypadku druku 3D mamy dość surowe ograniczenia, związane przede wszystkim z rozmiarem warstwy, podczas ustawiania parametrów drukowania. Dlatego też, szczerze mówiąc, mamy dość ograniczony wzrost wartości wytrzymałości. Nie przeszkadza to jednak w produkcji takich filamentów, ponieważ istnieje ogromny zakres zadań, których konwencjonalne filamenty nie rozwiązują, ale wypełnione na przykład włóknem węglowym radzą sobie z nimi z nawiązką. Warto zauważyć, że takie dodatki są zwykle szkodliwe dla drukarek, prowadząc do częstej wymiany dysz i dodatkowej konserwacji drukarki. Jeśli chodzi o wydajność temperaturową, z pewnością istnieje zmiana, ale nie jest ona krytyczna. Jeśli drukarka może drukować z konwencjonalnego nylonu, może drukować z włókna węglowego.
Przykłady niestandardowych lub nietypowych wypełniaczy obejmują celulozę, która nadaje laminatowi wygląd przypominający drewno. Właściwości fizyczne włókniny są nieco zmniejszone; celuloza nie ma efektu wzmacniającego jako takiego, ale ma pozytywny wpływ na skurcz, zmniejszając go, a także poprawia przyczepność.
Chciałbym również wspomnieć o nanodiamentach jako przykładzie. Dodatek ten może być zarówno ścierniwem, jeśli frakcja cząstek jest większa niż 4 mikrony, jak i mieć dokładnie odwrotne właściwości, jeśli frakcja jest mniejsza niż 4 mikrony. Co więcej, cząstki diamentu poprawiają właściwości mechaniczne, takie jak moduł, dzięki czemu materiał jest bardziej odporny na naprężenia. Firma Plexiwire wykorzystała taki dodatek w produkcji swoich filamentów, a w przyszłości planuje wznowić i rozszerzyć tę gamę.
Przechodząc do drugiej grupy dodatków, chcielibyśmy zwrócić uwagę, że istnieją specyficzne właściwości, które nie są bezpośrednio związane z bezpośrednimi właściwościami polimeru, ale są wymagane do określonych zastosowań, w których czysty polimer nie działa. Istnieje ogromna liczba takich dodatków. Oto kilka często używanych przykładów:
- Cząstki metaliczne: Dodanie cząstek metalicznych, takich jak aluminium lub stal nierdzewna, może nadać drukowanym produktom metaliczny wygląd i właściwości, takie jak przewodność cieplna lub właściwości magnetyczne.
- Stabilizatory ultrafioletowe (UV): Stabilizatory UV są dodawane w celu poprawy odporności produktów drukowanych na promieniowanie UV, zapobiegając blaknięciu i degradacji na słońcu.
- Dodatki smarujące: Dodanie dodatków smarujących, takich jak cząsteczki polietylenu lub politetrafluoroetylenu (PTFE), może poprawić poślizg i zmniejszyć tarcie w drukowanych produktach.
- Dodatki naddźwiękowe: Dodatki te są stosowane w celu przyspieszenia prędkości drukowania, umożliwiając głowicy drukującej szybszy ruch w osiach X, Y i Z.
- Dodatki przeciwdrobnoustrojowe: Dodatek środków przeciwdrobnoustrojowych może zapobiegać rozwojowi bakterii i grzybów na drukowanych materiałach, co jest przydatne w medycynie i innych zastosowaniach, w których higiena ma kluczowe znaczenie.
Trzecia grupa jest najbardziej skomplikowana, ponieważ zadaniem takich dodatków jest bezpośrednia zmiana właściwości polimeru. Wśród tych dodatków znajdują się takie, które mogą sprawić, że twardy polimer stanie się miękki lub odwrotnie, zmienić strukturę z krystalicznej na amorficzną, a także takie, które mogą zmniejszyć lub nawet wyeliminować absorpcję wody.
Najbardziej znanym przykładem w druku 3D jest PETG, gdzie podstawowym materiałem jest politereftalan etylenu (PET), a modyfikatorem jest glikol. Modyfikator ten zmienia strukturę krystaliczną PET na amorficzną, zmieniając tym samym właściwości polimeru. Jako kolejny przykład chciałbym wspomnieć o ABS+ - jest to klasyczny przykład dla tej grupy dodatków, gdy dodatek jest wprowadzany bezpośrednio w procesie produkcji filamentu.
