A STUDY OF ADHESION PROPERTIES OF SURFACES FOR 3D-PRINTING

Research article
DOI:
https://doi.org/10.60797/ENGIN.2024.3.3
Issue: № 2 (3), 2024
Suggested:
27.02.2024
Accepted:
22.04.2024
Published:
29.05.2024
145
2
XML
PDF

Abstract

Different types of 3D printing surfaces (3D tables) – Ultrabase coated table, polypropylene plate, PEI coated spring steel table, Sytallic and borosilicate glass tables, perforated glass tables – are discussed in detail. A study was conducted to determine the best adhesion properties of Nylon, PETG and PP material parts to the surfaces of 3D glass table and smooth and textured PEI coated spring steel tables. The research was carried out for tables, both with and without the use of a special adhesive, to improve the adhesion between the 3D table surface and the sample. A microscope was used to photograph the surfaces of the samples printed on the different tables.

1. Введение

На сегодняшний день аддитивные технологии или технологии послойного наращивания объектов – одни из самых быстро развивающихся областей в промышленности

,
. Данные технологии позволяют создавать сложные трехмерные объекты, которые невозможно или очень трудно произвести с использованием традиционных технологий субтрактивного производства
,
. 3D-принтеры являются наиболее распространённым видом машин, используемых для аддитивного производства, а также уже используются во многих сферах промышленности.

2. Основная часть

Наиболее распространенной является конструкция 3D-принтера с наличием 3D стола. 3D стол является немаловажным узлом всего 3D-принтера в обеспечении успешной печати и получении качественных деталей. Именно поэтому выбор подходящей поверхности для 3D-печати является ответственной задачей. На сегодняшний день на рынке аддитивных установок представлены 3D столы с различными показателями адгезии к различным материалам для печати, способам снятия готовой детали, текстуры и стоимости. Наиболее популярными являются: стол с покрытием Ultrabase (ультрабаза), полипропиленовая пластина, стол из пружинной стали с покрытием PEI, стеклянные столы и т.д. Рассмотрим поподробнее каждый из них.

Стол с покрытием Ultrabase (рисунок 1) представляет собой стекло, на которое сверху нанесено микроструктурное пористое покрытие (рисунок 2), обеспечивающее высокую степень сцепления между деталью и 3D столом. При нагревании 3D стола поры покрытия Ultrabase расширяются, а после остывания 3D стола поры покрытия Ultrabase сужаются, вытесняя напечатанную деталь. Таким образом, особенность покрытия Ultrabase заключается в том, что оно обеспечивает прилипание печатаемых деталей к столу, без дополнительного использования адгезивов и в то же время после остывания стола детали от него отклеиваются самостоятельно и снимаются без усилия. Однако, по мнению пользователей, со временем покрытие Ultrabase изнашивается, теряя свои свойства, и для достижения хорошей адгезии детали с поверхностью необходимо прибегать к специальным адгезивам
,
.
Стол с покрытием Ultrabase

Рисунок 1 - Стол с покрытием Ultrabase

Покрытие Ultrabase под микроскопом

Рисунок 2 - Покрытие Ultrabase под микроскопом

Полипропиленовые пластины (рисунок 3) для 3D-принтеров представляет собой пластину из тонкого листа, который способен гнуться, что облегчает удаление напечатанных деталей, полипропиленовые пластины также устойчивы к температуре и могут использоваться до 120 °C. Однако существенными недостатками являются более быстрый износ, коробление и другие деформации полипропиленовой пластины относительно металлических или стеклянных поверхностей столов
.
Полипропиленовая пластина для 3D-принтера

Рисунок 3 - Полипропиленовая пластина для 3D-принтера

Покрытие PEI стола из пружинной стали (рисунок 4) является полиэфиримидом, который обладает термостойкостью, простотой в обслуживании, а также обеспечивает хорошую адгезию с декоративными пластиками
. Существует два основных типа столов из пружинной стали с покрытием PEI: клейкие и магнитные. Клейкие столы предназначены для полупостоянного приклеивания поверх существующей пластины и немного дешевле аналогичных магнитных столов. Магнитные столы легко снимаются и заменяются, что обеспечивает большую универсальность. Также столы из пружинной стали с покрытием PEI имеют два типа поверхностей: гладкую и текстурированную. Гладкие столы обладают хорошими адгезивными свойствами, что может затруднить удаление детали, если ее материал для печати слишком хорошо прилипает к гладкой поверхности, однако в случаях если материал для печати плохо прилипает к гладкой поверхности, гладкие столы из пружинной стали с покрытием PEI улучшают адгезию материала с поверхностью печати
. Более простым считается удаление детали от стола с текстурированным покрытием, так как на поверхности листа имеются небольшие шероховатости.
Столы из пружинной стали с покрытием PEI

Рисунок 4 - Столы из пружинной стали с покрытием PEI

Стеклянные столы являются наиболее популярной поверхностью для 3D-печати из-за жесткости, твердости и гладкости поверхности. Стеклянная поверхность обеспечивает равномерное распределение тепла и легкое удаление деталей, высокое качество деталей, однако для улучшения сцепления материала с поверхностью стеклянного стола порой может потребоваться адгезив
. Существуют различные виды стеклянных столов, например, ситалловое, боросиликатное, перфорированное и т.д.
Ситалловое стекло обладает такими свойствами, как прозрачность, износостойкость, химическая и термическая устойчивость. Применение ситаллового стекла дает возможность печатать разными видами пластика, обеспечивает прочное крепление печатаемой детали с поверхностью, не деформируется при печати образцов даже под воздействием высоких температур, не требует применения клея и других адгезионных материалов. Единственный недостаток – это достаточно высокая стоимость подобного материала
.
Ситалловое стекло

Рисунок 5 - Ситалловое стекло

Боросиликатное стекло обладает низким коэффициентом теплового расширения, что делает его более устойчивым к нагреванию, в сравнении с обычным стеклом. Также данный тип поверхности обеспечивает хорошую адгезию материала и стола. Боросиликатное стекло устойчиво к перепаду температур и химическому воздействию, а также данный тип стеклянной поверхности является очень прочным, так как при производстве в состав добавляется оксид бора, что исключает содержание воздушных пузырьков
.
Боросиликатное стекло

Рисунок 6 - Боросиликатное стекло

Специальное закаленное стекло с перфорированным покрытием обеспечивает крепкое сцепление детали с поверхностью. Такое покрытие позволяет легкого удалить деталь от стола после остывания.
Перфорированное стекло

Рисунок 7 - Перфорированное стекло

Для выявления лучших показателей по адгезии было проведено исследование гладких и текстурированных столов из пружинной стали с покрытием PEI различных производителей, а также стеклянных столов.
Испытания проходили следующим образом. Была разработана 3Dмодель образца (рисунок 7) в виде круга диаметром 240 мм с восемью лучами, высота образца 3 мм. После этого сформированная 3D модель была загружена в программное обеспечение подготовки печати.
Чертеж образца

Рисунок 8 - Чертеж образца

Печать производилась материалами Nylon, PETG, PP, для каждого материала согласно указаниям производителя, были заданы соответствующие настройки печати, а именно: скорость перемещения печатающей головки, температура, охлаждение детали, параметры, характеризующие расходный материал и т.д. После этого были направлены данные построения в управляющее устройство и 3D принтер подготовлен к печати. Далее подавался материал, необходимый для изготовления образца и запущен процесс печати. Каждым материалом было произведено по 5 запусков печати, при этом на каждом варианте стола производилась печать как с использованием специального адгезива (в таблице 1 «А.» – это адгезив) для печати, так и без него. В качестве адгезива для печати был использован полимерный адгезив-гель, позволяющий улучшить сцепление стола и поверхности детали. Далее проводилась оценка адгезии детали к поверхности стола (таблица 1). Цифра в таблице 1 означает оценку (от 0 до 5) адгезии поверхности стола и детали, где 0 – деталь полностью отклеилась, адгезия плохая, 5 – означает полное сцепление детали с полностью стола, адгезия хорошая. Готовый вид, напечатанных образцов представлен на рисунке 8.

Таблица 1 - Оценка адгезии

Материал печати

Стекло

Стекло +А

Столы из пружинной стали с покрытием PEI

Текстурированные

Гладкие

Стол 1

Стол 1 +А

Стол 2

Стол 2 +А

Стол 3

Стол 3 +А

Стол 4

Стол 4 +А

Стол 5

Стол 5 +А

Nylon

2

3

1

3

1

3

0

3

3

4

3

4

PETG

3

4

1

1

1

3

1

3

3

4

3

4

PP

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

1

Напечатанные образцы

Рисунок 9 - Напечатанные образцы

Так же поверхность напечатанных деталей была рассмотрена под микроскопом – рисунок 9, который демонстрирует, что наиболее ровной и гладкой поверхностью обладают образцы, напечатанные на стеклянном столе и гладком столе из пружинной стали с покрытием PEI.
Поверхность детали, напечатанной на каждом типе стола

Рисунок 10 - Поверхность детали, напечатанной на каждом типе стола

3. Заключение

На основании проведенных испытаний было выявлено, что среди рассмотренных гладких и текстурированных столов из пружинной стали с покрытием PEI различных производителей, а также стеклянных столов наиболее высокими показателями по адгезии для материалов Nylon, PETG, PP обладают гладкие столы из пружинной стали с покрытием PEI, при этом, согласно микроскопии, детали, напечатанные на данном типе столов обладают ровной и гладкой поверхностью.

Article metrics

Views:145
Downloads:2
Views
Total:
Views:145