Исследователи из Российской академии наук нашли способы улучшить трехмерную печать. Результаты исследований были опубликованы в статье «Улучшение качества 3D-печатных объектов путем устранения микроскопических структурных дефектов при моделировании».
Недостатки FDM технологии
Проблемы с пористостью 3D-напечатанных объектов являются причиной многих дефектов в FDM технологии. Из-за этого существенно ограничиваются возможности применения данного метода в прототипировании и других производственных процессах.
При оценке FDM 3D-печати в исследовательской группе использовались такие материалы, как PLA, ABS, PETG, PP, нейлон (полиамид) и углеродный нейлон. Исследованию подлежали следующие характеристики:
- скорость подачи нити;
- геометрия слоя;
- структура стенок объекта, определяемая G-кодом.
По мере того, как оптимизировалась скорость подачи и структура, исследователи смогли значительно улучшить качество 3D-печати. Научные сотрудники использовали принтер Picaso 250 Designer Pro (PICASO 3D) с диаметром сопла 0,3 мм. В процессе исследования создавались такие объекты: цилиндры, конусы, сферы, пирамиды и кубы.
Что выяснили российские ученые? Оказалось, что в стандартных условиях цилиндрические объекты имели минимальное количество пор и лучшее качество 3D-печати. Конические объекты имели более крупные поры, равномерно распределенные по поверхности. Для сферической формы наибольшее количество пор наблюдалось в области полюсов, лежащих на оси, перпендикулярной плоскостям слоев (экваториальная область сохраняла непроницаемость).
От чего зависит пористость?
Исследователи смогли наглядно продемонстрировать, что на проницаемость в значительной степени влияют следующие условия:
- экструзионный множитель;
- толщина стенки изделия;
- внутреннее наполнение объекта;
- температура;
- материалы печати;
- форма напечатанного изделия.
Сочетание цилиндрических и конических форм в одном объекте привело к равномерному распределению небольшого количества пор в стенке цилиндрической части и значительно большему числу пор в конической части. В плоскопечатанных изделиях (например, гексагональной пирамиде и кубе) наиболее пористые области были обнаружены по краям, то есть вблизи стыков между гранями.
Наблюдаемая зависимость пористости от геометрической формы или ее удельной площади объясняется соответствующими различиями в режиме позиционирования слоев. В кубических и цилиндрических продуктах слои расположены ровно один над другим, поэтому межслойный контакт наиболее эффективен. В конических изделиях слои располагаются с определенным смещением (поэтапно), что делает межслойный контакт менее эффективным. Также было определено, что «ребра и вершины» имеют больше дефектов, чем другие формы в экспериментах.
Среди форм с гладкими контурами наиболее уязвимы конические и сферические элементы с неправильной кривизной. А вот плоские и цилиндрические поверхности наиболее устойчивы к образованию пор.
Таким образом, чтобы минимизировать пористость, правильное заполнение внутреннего пространства должно контролироваться дополнительно путем проверки G-кода (предложенного программным обеспечением slicer). Чем однороднее промежуточный слой стенки изделия, тем более непроницаемой она будет (так как все швы будут надежно изолированы друг от друга).