Temperatura to parametr, który odgrywa znaczenie najbardziej kluczowe w drukowaniu przestrzennym metodą FDM. Odpowiednio dobrane warunki termiczne umożliwiają przetworzenie filamentowego włókna w trójwymiarowy obiekt pożądany przez użytkownika drukarki 3D. Przestrzenne wydruki wykonuje się jednak niejedynie z myślą o samym fakcie ich utworzenia. Jednym z wyjątków od tejże reguły jest, rzecz jasna, chęć doskonalenia się użytkownika w druku 3D, która umotywowana być może m.in. wytwarzaniem coraz lepszych jakościowo trójwymiarowych struktur, bardziej dogłębnym poznaniem prawideł, jakimi rządzi się technika FDM, lub testowaniem niestosowanych dotąd parametrów powiązanych z drukowaniem w trzech wymiarach przez posiadacza maszyny drukującej. Obiekty 3D tworzy się zazwyczaj w konkretym celu. Bywają drukowane z myślą o zastosowaniach dekoracyjnych, stanowić mogą także elementy bardziej skomplikowanych układów obiektowych. Wydruki przestrzenne pełnić mogą zatem różnorodne funkcje. Filament, który stanowić będzie surowiec budulcowy obiektu trójwymiarowego wykonywanego przez drukarkę 3D, obdarzony musi być właściwościami, dzięki którym przedmiot z niego wydrukowany odznaczać się będzie oczekiwaną od niego funkcjonalnością. Czasem będą to atrybuty stricte dekoracyjne, innym razem - parametry wytrzymałościowe. Ważna okazać się może zatem atrakcyjna wizualnie tekstura wykorzystywanego filamentu, jak również szeroko pojmowana odporność zastosowanego tworzywa. Spośród morza cech i ich możliwych kombinacji, jakie przypisuje się określonym materiałom, znajduje się termiczna wytrzymałość. Jakie wykorzystywane w druku 3D tworzywa określić można mianem filamentów wysokotemperaturowych?

Filamenty wysokotemperaturowe - czyli właściwie jakie?

Filamenty wysokotemperaturowe, jak sama ich nazwa wskazuje, są tworzywami które na tle innych podobnych im materiałów wyróżniają się bardzo dobrą odpornością termiczną. Owa wytrzymałość może mieć zarówno krótko-, jak również długotrwały. Co dokładniej ta terminologia oznacza? Określa się nimi czas, jaki wydrukowany z filamentu obiekt trójwymiarowy spędzać będzie w danych warunkach termicznych. Bez żadnych kłopotów wysnuć można wniosek, iż temperatura pracy krótkotrwałej przyjmuje wartości wyższe niż ilość stopni Celsjusza, jaką wydruk 3D przetrwa bez uszczerbku na jego trwałości w dłuższym odcinku czasowym. Nie da się ukryć, iż zdanie wcześniejsze nosi znamiona prawdy objawionej, zaś jego treść jest oczywistością. Niemniej czasem nawet kwestie oczywiste budzić mogą wątpliwości. Wytrzymałość filamentów na wpływ temperatury określa się także, wykorzystując do tego celu stosowne dane badawcze. Umieszczane są one przez producentów materiałów do druku 3D w dokumentach zwanych kartami technicznymi, czyli TDS-ach (ang. Technical Data Sheet). Do takich danych zalicza się m.in. temperaturę mięknienia w ujęciu Vicata oraz temperaturę odkształcenia cieplnego, czyli HDT (ang. Heat Deflection Temperature). W sensie ogólnym im wyższe wartości one przyjmują dla danego tworzywa, tym bardziej odporne jest ono na negatywne działanie wysokich temperatur. Jakie zatem materiały zwie się filamentami wysokotemperaturowymi? Najważniejsze jest wybranie odpowiedniego punktu odniesieniu, dzięki któremu wprowadzenie takiego nazewnictwa będzie miało sens. Ustalmy zatem, iż odnosi się ona do filamentów wytrzymujących temperatury oscylujące wokół 100°C (w tym także takie nieznacznie od tej wartości mniejsze).

Jak uzyskuje się filament wysokotemperaturowy?

Filamenty, które cechują się dużą odpornością na negatywny wpływ wysokich temperatur, uzyskuje się wskutek umiejętnego skomponowania ich składu. Właściwy dobór ich składników, a także odpowiednie manipulowanie ich proporcjami, pozwala producentom tworzyw do druku 3D techniką FDM na tworzenie materiałów charakteryzujących się często imponującymi, termicznymi parametrami wytrzymałościowymi.

Dobór wysokotemperaturowego składnika bazowego

Bardzo istotny jest wybór recepturowej bazy. Wszak to w głównej mierze ona determinowała będzie odporność termiczną tworzywa! Jakie materiały producenci filamentów obsadzają w tej ważnej roli? Są to m.in. poliwęglany (PC) i poliamidy (PA). Polimery te charakteryzują się znakomitą odpornością termiczną. Nikogo nie powinien dziwić więc fakt, iż receptury filamentów wysokotemperaturowych oparte zostały właśnie na wspomnianych wielkocząsteczkowych związkach chemicznych. Inny przykład substancji cechującej się dużą, termiczną odpornością stanowi poli(tlenek metylenu). Jest on składnikiem filamentu POM. Kolejny polimer, który słynie z niezwykle wysokiej niepodatności na negatywne działanie wysokiej temperatury (nawet takiej, której wartość przekracza 300°C!), stanowi polietylenoeteroketon. Filament PEEK to materiał do druku 3D techniką FDM, którego składnikiem nadrzędnym jest wspomniany we wcześniejszym zdaniu związek chemiczny. Podsumowując zatem - odpowiednio dobrany surowiec bazowy pozwala na uzyskanie tworzywa, którego cechę kluczową stanowić będzie duża odporność na negatywny wpływ czynników termicznych.

Przykłady filamentów:

• PC
• PA12 (Fiberlogy)
• PEEK
• POM (F3D Filament)

Filament POM, z którego wykonano zębatkę znajdującą się na ilustracji powyższej, zalicza się do materiałów wysokotemperaturowych.

Modyfikacja składu

Filamenty wykazujące się wysokim poziomem niepodatności na działanie temperatur przyjmujących niemałe wartości uzyskuje się także na drodze modyfikacji receptury tworzywa, którego bazowy składnik niekoniecznie dobrze znosi warunki termiczne oscylujące wokół 100°C. W ten sposób firma Spectrum Filaments wyprodukowała materiał, który zwie się PET-G HT100. Filament ten charakteryzuje się wysoką odpornością termiczną. Co istotne omawiany rodzaj wytrzymałości tworzywa osiąga wartości wyższe w porównaniu do filamentu PET-G niepoddanego modyfikacjom. Wydruki przestrzenne, które wykonano z PET-G HT100, dobrze znoszą temperatury sięgające nawet 100°C. Producenci tworzyw do druku 3D modyfikować mogą także skład materiałów, które same w sobie są już surowcami wysokotemperaturowymi, co też czynią, uzyskując na tym polu rewelacyjne rezultaty. Dobry przykład świetnych efektów takiego postępowania stanowi filament PC + PTFE. Produkowane przez ROSA 3D Filaments jest połączeniem poliwęglanu (PC) oraz politetrafuoroetylenu, czyli teflonu (PTFE). Wydrukowane z niego obiekty trójwymiarowe bezproblemowo wytrzymują temperatury rzędu nawet 120°C. Doskonałe wyniki daje także łączenie poliamidu (PA) z włóknem węglowym (CF). Tego rodzaju filamenty produkuje m.in. Fiberlogy oraz wspomniana już wcześniej firma, jaką jest ROSA 3D Filaments. Wydruki przestrzenne wykonane z materiałów stanowiących połączenie poliamidu z włóknem węglowym charakteryzują się znakomicie wysoką, termiczną wytrzymałością. Przykład takiego tworzywa stanowi filament PA + 15CF firmy ROSA 3D Filaments. Utworzone z niego wydruki trójwymiarowe nie ucierpią wskutek wpływu temperatury wynoszącej nawet 160°C.

Przykłady filamentów:

• PET-G HT100 firmy Spectrum Filaments,
• PC + PTFE (produkowany przez ROSA 3D Filaments),
• PA + 15CF od ROSA 3D Filaments
• PA6 CF15 (producent: Spectrum Filaments)
• PA12 + CF15 firmy Fiberlogy

PET-G HT100, z którego wydrukowano powyższe obiekty trójwymiarowe, wytrzymuje temperatury wynoszące nawet 100°C!

Wysokotemperaturowe materiały do druku 3D - podsumowanie

Wysokotemperaturowe tworzywa do druku 3D nie stanowią obecnie żadnego novum. Nabyć można je bez większych kłopotów, a producenci materiałów, które wykorzystuje się jako budulcowe surowce wydruków trójwymiarowe, prześcigają się w tworzeniu filamentów o większej i większej odporności na destrukcyjny wpływ niekorzystnych warunków termicznych. Osiągane obecnie w tej dziedzinie rezultaty robią duże wrażenie, zaś postępujący rozwój technologicznej dziedziny, jaką jest druk 3D, stanowi gwarancję, iż granica termicznej wytrzymałości tworzyw filamentowych nie została jeszcze ustalona.