Związków chemicznych, które stanowić mogą recepturową bazę filamentu, istnieje multum. Ich cechą wspólną jest przynależność do grupy wielkocząsteczkowych substancji, które zwie się polimerami. Różnorodność właściwości, jakimi zbiór tych związków chemicznych się charakteryzuje, przytłacza swym ogromem. Terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy - składnik bazowy filamentu ABS - charakteryzuje się bardzo dobrymi parametrami wytrzymałościowymi. Spośród wszystkich jego cech odpornościowych tą, która ma charakter pierwszoplanowy, jest wysoki poziom niepodatności tego polimeru na negatywne skutki, jakie nieść mogą za sobą dynamiczne obciążenia. Poli(alkohol winylowy) to z kolei wielkocząsteczkowa substancja chemiczna, która rozpuszcza się w... Wodzie! Jest on składnikiem podstawowym filamentu PVA, czyli materiału do druku 3D, który wykorzystuje się w roli budulcowego surowca łatwousuwalnych elementów podporowych. Poli(akrylonitryl-co-styren-co-akrylan) to natomiast przykład polimeru, którego istotną własność stanowi odporność na działanie promieniowania ultrafioletowego. Jest on bazowym składnikiem filamentu ASA. Wymienione dotychczas związki chemiczne stanowią zaledwie niewielki odsetek polimerów, z których wytwarza się materiały do druku 3D techniką FDM. Bohaterami artykułu niniejszego są polimerowe substancje, które powszechnie wykorzystuje się w wielu dziedzinach współczesności. Nie każdy posiadacz drukarki 3D ma jednak świadomość, iż pełnić mogą one również bazę recepturową filamentów. Polimerami tymi są poliwęglany. Wchodzą one w skład materiałów do druku 3D, które zwą się filamentami PC.
Poliwęglany - główny składnik filamentu PC
Recepturę filamentu PC opiera się na związkach chemicznych, które zwie się poliwęglanami. Substancje te są reprezentantami polimerów. Precyzyjniej rzecz ujmując, zalicza się je do grupy polimerowych związków chemicznych, które zwie się poliestrami. Węgiel to pierwiastek będący nieodłącznym składnikiem większości polimerów. Dlaczego zatem pochodna słowa będącego jego nazwą występuje w tytule, jaki nadany został grupie substancji chemicznych, które stanowią m.in. recepturową bazę filamentów PC? Poliwęglany są bowiem poliestrami kwasu węglowego.
Poliwęglany i ich właściwości
Główny składnik filamentu PC charakteryzuje się amorficznością. Posiada on zatem zarówno cechy ciała stałego, jak również cieczy. Takie substancje określa się również mianem materii bezpostaciowej. Poliwęglany to niejedyne polimery, które pełnią rolę materiałów do druku 3D i które charakteryzują się amorficznością. Jednym z nich jest terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy - składnik bazowy filamentu ABS. Przykład substancji amorficznej stanowi także ASA. Świat polimerowych związków chemicznych, które są bazowymi składnikami określonych rodzajów filamentów, pełen jest materiałów amorficznych. Poliwęglany to substancje, które charakteryzują się dużą niepodatnością na destrukcyjny wpływ różnego typu czynników mechanicznych. Są one polimerami twardymi. Owa twardość stanowi jeden z czynników, dzięki którym tworzywa te cechują się znakomitą, mechaniczną wytrzymałością. Poliwęglany to materiały, które wykazują się bardzo dobrymi parametrami udarnościowymi. Cechuje je zatem duża niepodatność na potencjalnie destrukcyjne działanie obciążeń natury dynamicznej. Przykład takich oddziaływań stanowią uderzenia. Bazowy składnik filamentu PC jest tworzywem przezroczystym. Nie oznacza to jednak, iż materiał do druku 3D, którego skład opiera się na poliwęglanie, także cechował się będzie transparentnością. Uzależnione jest to m.in. od pozostałych składników filamentu PC. Poliwęglany charakteryzują się także dużą odpornością termiczną. Podsumowując - omawiane tu substancje posiadają szereg cech wytrzymałościowych, dzięki którym świetnie sprawdzają się w zastosowaniach technicznych.
Otrzymywanie poliwęglanów
Jak wytwarza się poliwęglany? Oto jest pytanie! Potencjalnie poprawna odpowiedź na nie brzmiałaby: "Poliwęglany wytwarza się, doprowadzając do stosownej reakcji kwasu węglowego z inną substancją chemiczną.". Tak jednak nie jest. Kwas węglowy to związek chemiczny, który wykazuje się nikłą trwałością. Bardzo łatwo ulega on rozpadowi do prostszych substancji. Istnieją jednak związki chemiczne, z których poliwęglany są wytwarzane. Do substratów niezbędnych do ich utworzenia zalicza się:
-
Fosgen
Fosgen jest substancją będącą reprezentantką grupy związków chemicznych, jakimi są chlorki kwasowe.
-
Difenolany
Difenolany są związkami chemicznymi będącymi solami difenoli. Difenole to z kolei grupa alkoholi aromatycznych. Słowo aromatyczny odnosi się do pewnego elementu cząsteczki tych związków chemicznych (choć spotyka się go również w wielu - bardzo wielu - innych substancjach). Komponent ten ma formę pierścieniową i zwany jest pierścieniem aromatycznym. Podstawowy alkohol aromatyczny stanowi fenol. Posiada on jeden wspomniany wcześniej komponent pierścieniowy. Difenole mają ich więcej, bo aż dwa. Difenolem szczególnie powszechnie wykorzystywanym w świecie przemysłu jest bisfenol A, znany również jako dian oraz BPA. Jego sól sodowa stanowi jeden z substratów w reakcji, której wynik stanowi uzyskanie poliwęglanu, czyli składnika nadrzędnego filamentu PC.
Reakcja fosgenu z solą sodową bisfenolu A przebiega kilkuetapowo. Jednym z jej produktów jest poliwęglan bisfenolu A. Omawiany polimer uzyskać można także innymi metodami. Jedną z nich stanowi tzw. fosgenowanie bisfenolu A. Jej substratami są fosgen oraz BPA. Reakcja ta zachodzi w obecności wody oraz wodorotlenku sodu. Wskutek jej zajścia powstaje poliwęglan bisfenolu A oraz chlorek sodu.
Filamenty PC - przykłady tworzyw dostępnych w sprzedaży
Filamenty PC produkowane są m.in. przez dwie polskie firmy, które specjalizują się w produkcji materiałów do druku 3D techniką FDM. Duet ów tworzą F3D Filament oraz ROSA 3D Filaments. Pierwsza z nich odpowiada za produkcję tworzyw kryjących się pod nazwami PC-IN oraz PC-X. Stworzyła ona również filamenty, które stanowią połączenie polimeru poliwęglanowego oraz terpolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego (w skrócie: ABS). Występują one w dwóch wariantach, jakimi są PC/ABS I oraz PC/ABS B. Firma ROSA 3D Filaments stworzyła filament, który stanowi fuzję poliwęglanu i politetrafluoroetylenu (PTFE, czyli teflonu). Jego nazwa to PC+PTFE.
-
Filament PC-IN
Filament PC-IN jest przezroczystym materiałem do druku 3D techniką FDM, za produkcję którego odpowiada F3D Filament. Jego doskonała wytrzymałość mechaniczna czyni z niego doskonały surowiec budulcowy wydruków tworzonych z myślą o zastosowaniach technicznych. Cechuje go duża udarność, twardość i znaczny poziom niepodatności na wpływ ciepła. Obiekty 3D, które wykonano z filamentu PC-IN, nie ulegają zniszczeniu wskutek wystawienia ich na działanie temperatury równej nawet 145°C. Charakteryzuje się on dużym skurczem przetwórczym. Warunkami technicznymi, jakie spełniać musi drukarka 3D, aby mogła ona przetworzyć filament PC-IN, są grzana platforma robocza oraz głowica, która jest w stanie osiągnąć temperaturę równą co najmniej 250°C.
Ilustracja przedstawia szpulę materiału poliwęglanowego PC-IN, który wyprodukowany został przez F3D Filament. (©F3D Filament)
-
Filament PC-X
Filament PC-X to tworzywo od F3D Filament, którego bazowym składnikiem jest poliwęglan. Poszczycić się on może zatem atrybutami charakterystycznymi do jego recepturowej bazy. Cechuje się on przezroczystością. Materiał ten charakteryzuje także bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi. Filament PC-X jest tworzywem wysokoudarnym i twardym. Wykonane z niego wydruki przestrzenne bezproblemowo wytrzymują temperatury rzędu 150°C. Charakteryzuje się on jednak dużym skurczem przetwórczym. Należy zatem zapewnić mu odpowiednie termiczne warunki, które pozwolą na optymalne przetwarzanie tego tworzywa opartego na poliwęglanie. Wymaga on grzanego stołu roboczego. Minimalna temperatura, jaką osiągać musi głowica drukarki 3D, to z kolei aż 280°C. Nie każda drukarka 3D posiada zatem techniczne parametry, dzięki którym możliwe jest wykonywanie wydruków trójwymiarowych z filamentu PC-X.
Powyższe zdjęcie przedstawia szpulę materiału PC-X. (©F3D Filament)
-
Filament PC/ABS B
Bazę produkowanego przez F3D Filament materiału do druku 3D stanowią dwa polimery. Jednym z nich jest poliwęglan. Bazowe dopełnienie filamentu PC/ABS stanowi terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy, czyli ABS. Fuzja tych dwóch polimerów sprawia, iż materiał produkowany przez F3D Filament posiada właściwości każdego z nich. Filament PC/ABS jest zatem tworzywem, które cechuje się dużą odpornością na wpływ wysokiej temperatury. Stanowi ona nadrzędną cechę tego materiału. Filament PC/ABS charakteryzuje się on także niemałą udarnością. Drukarka ów materiał przetwarzająca zaopatrzona powinna być w podgrzewany stół roboczy oraz głowicę, która osiąga temperatury równe co najmniej 250°C. Filament PC/ABS to także tworzywo, które cechuje się małą higroskopijnością, co oznacza iż chłonie on niewiele wody z otoczenia, w którym się znajduje.
Szpula filamentu PC/ABS B (©F3D Filament)
-
Filament PC/ABS I
Filament PC/ABS I to kolejne tworzywo do druku 3D techniką FDM, którego bazę recepturową stanowią poliwęglan oraz ABS. Jest to materiał wysokoudarny. Cechuje go bardzo duża niepodatność na negatywny wpływ mechanicznych czynników. Właściwość ta stanowi znak rozpoznawczy filamentu PC/ABS I. Wyprodukowany przez F3D Filament materiał do druku 3D wykazuje się również niskim poziomem higroskopijności. Nie pochłania on dużych ilości wody z otoczenia, w którym tworzywo zostało umieszczone. Do optymalnej obróbki filamentu PC/ABS I wymagana jest podgrzewana platforma robocza oraz głowica drukarki 3D, która osiągnąć może temperaturę równą przynajmniej 250°C.
Szpula tworzywa PC/ABS I (©F3D Filament)
-
Filament PC+PTFE
Stworzony przez ROSA 3D Filaments produkt do druku przestrzennego jest materiałem, którego bazę stanowi duet dwóch polimerów. Są nimi poliwęglan oraz teflon, czyli PTFE. Tworzywo charakteryzuje się znakomicie wysokim stopniem niepodatności na destrukcyjny wpływ czynników mechanicznych. Filament PC+PTFE to także materiał odporny na działanie wysokiej temperatury. Utworzone z niego wydruki trójwymiarowe bez kłopotów przetrwają w warunkach termicznych, jakie stwarza temperatura o wartości równej nawet 120°C. Wymiarowa stabilność tworzywa stanowi jego kolejny atut. Filament PC+PTFE doskonale sprawdza się w roli surowca-budulca elementów, których ekspozycja na wpływ sił, jakimi są tarcie statyczne i jego wariant kinetyczny, będzie duża. Do jego optymalnej obróbki wymagana jest podgrzewana platforma robocza. Temperatura wytłaczania (ekstruzji) filamentu PC+PTFE przyjmować musi wartości z przedziału od 270°C do 295 stopni Celsjusza. Doskonały pomysł stanowi zastosowanie drukarki 3D, która zaopatrzona została w zamykaną komorę roboczą.
Ilustracja przedstawia szpulę filamentu PC+PTFE, za produkcję którego odpowiada ROSA 3D Filaments. (©ROSA 3D Filaments)
Poliwęglany w druku 3D - podsumowanie
Poliwęglany posiadają wiele pozytywnych własności wytrzymałościowych. Zalicza się do nich dużą odporność mechaniczną oraz niemałą niepodatność na destrukcyjny wpływ wysokich temperatur. Cechy te nabyły filamenty PC, czyli materiały do druku 3D, których omawiane polimery są składnikami bazowymi. Wykonywane z nich wydruki trójwymiarowe charakteryzują się zatem parametrami, które definiują ich szeroko pojmowaną odporność. Filamenty PC to jednak tworzywa wymagające. Ich rozumiana szeroko wytrzymałość to niewątpliwie cecha pozytywna. Niemniej pamiętać należy o tym, iż materiały te wymagają zaangażowania do ich umiejętnego przetworzenia drukarki 3D, która umożliwi wydobycie z nich pełni potencjału, jaki skrywa się w termoplastycznych produktach, których bazowe składniki stanowią omawiane w artykule niniejszym tworzywa. Filamenty PC - czyli poliwęglanowe - sprawdzą się doskonale w roli surowców budulcowych obiektów trójwymiarowych, które stworzono z myślą o ich zastosowaniu w technicznych/inżynierskich sferach świata współczesnego.
