FFF 3D-printen revolutioneren met oplosbare filamentondersteuningen

Een van de belangrijkste beperkingen van FFF 3D-printen ten opzichte van andere additieve productietechnologieën is de noodzaak dat het geprintte gebied van elke laag gesteund wordt door een eerdere geprintte laag. Dit betekent dat elk deel van het onderdeel met een overhang groter dan 45º of elke brug langer dan 10mm ondersteuningsstructuren vereist.

Op eén-extruder FFF 3D-printers is de enige optie voor het genereren van ondersteuningsstructuren het gebruik van hetzelfde printmateriaal als het onderdeel. Deze ondersteuningen moeten mechanisch verwijderd worden na afloop van het printen, en er worden diverse strategieën gebruikt om dit te vergemakkelijken, zoals het maken van deze ondersteuningen met laagdichtestructuren en het laten van een scheidingslaag tussen de ondersteuning en het onderdeel. Dit stelt de ondersteuningen in staat om handmatig zonder gereedschap verwijderd te worden, hoewel de oppervlakteafwerkingen van de oppervlakken in contact met de ondersteuningen vaak slecht afgewerkt zijn.

Afbeelding 1: Ondersteuningen op 3D-geprinte onderdelen. Bron: 3DHubs

Op FFF 3D-printers met dubbele extruders, breidt het bereik van opties uit, aangezien het niet nodig is om hetzelfde materiaal voor het onderdeel en voor de ondersteuningen te gebruiken. Dit opent de deur om materialen te gebruiken die oplosbaar zijn in oplosmiddelen die het materiaal van het onderdeel niet oplossen of schaden. Dit maakt het mogelijk om dichte ondersteuningen in contact met het werkstuk te gebruiken die een uitstekende afwerking op het contactoppervlak garanderen.

Afbeelding 2: Raise3D Pro2 dubbele extruder. Bron: Raise3D

Er zijn veel verschillende oplosbare ondersteuningsfilamenten beschikbaar, maar ze zijn niet allemaal hetzelfde, noch hebben ze allemaal dezelfde compatibiliteit. Bij het selecteren van een oplosbaar draagmateriaal is het belangrijk om een aantal kenmerken in overweging te nemen om compatibiliteit met het gebruikte printmateriaal te garanderen. Deze kenmerken zijn:

• Het moet oplosbaar zijn in een oplosmiddel dat het materiaal gebruikt in het onderdeel niet schaadt of beïnvloedt.

• Het moet thermisch compatibel zijn met het filament van het onderdeel, dus het moet vergelijkbare print- en basistemperaturen hebben, evenals vergelijkbare verzachtingtemperaturen.
• Het moet goede adhesie hebben met het materiaal gebruikt in het onderdeel.
• Het moet gemakkelijk printbaar zijn en goede adhesie tussen lagen hebben.

Momenteel zijn er drie hoofdtypen oplosbare ondersteuningsmaterialen:

• Organisch oplosmiddel oplosbare filamenten
• Water oplosbare filamenten met een activator
• Water oplosbare filamenten

OPLOSBARE FILAMENTEN IN ORGANISCHE OPLOSSINGSMIDDELEN.

Dit zijn materialen met vergelijkbare eigenschappen als het materiaal gebruikt in het onderdeel maar die opgelost kunnen worden in een oplosmiddel dat het materiaal dat ze complementeert niet aanvalt of oplost.

Op dit moment zijn er niet veel opties voor dit type filament, voornamelijk door twee problemen: aan de ene kant, materialen met vergelijkbare fysicochemische eigenschappen die ze compatibel met elkaar maken, gedragen zich doorgaans op een vergelijkbare manier met de meeste oplosmiddelen, wat het moeilijk maakt om een geschikt oplosmiddel te vinden. Aan de andere kant, veel van deze organische oplosmiddelen zijn hoog toxisch of niet toegankelijk voor de meeste gebruikers en vereisen gespecialiseerde afvalbehandeling.

Afbeelding 3: D-Limoneen. Bron: Filament2print

Het meest gebruikte filament van dit type is HIPS, wiens eigenschappen het compatibel maken met de meeste ABS- en ASA-gebaseerde materialen. Naast het hebben van vergelijkbare thermische eigenschappen, heeft het goede adhesie aan ABS en ASA. Het is momenteel een van de meest gebruikte ondersteuningsmaterialen, niet alleen vanwege de compatibiliteit met ABS, maar ook vanwege de lage kost en omdat het oplosbaar is in D-Limoneen, een toegankelijk, goedkoop en laag-toxisch organisch oplosmiddel.

WATER-OPLOSBARE FILAMENTEN DOOR HET GEBRUIK VAN EEN ACTIVATOR.

Dit zijn ATP-gebaseerde polymeren (acrylaat-terpolymers). Deze materialen hebben de eigenschap oplosbaar te zijn in alcalische oplossingen. Ze hebben uitstekende compatibiliteit met ABS- en ASA-gebaseerde materialen, en kunnen ook met polycarbonaat gebruikt worden (hoewel hun compatibiliteit enigszins lager is).

Ze zijn niet direct oplosbaar in water, aangezien ze vereisen dat water een alcalische pH heeft, dus het gebruik van een bufferactivator, zoals 3DWash, is noodzakelijk.

Afbeelding 4: 3DWash. Bron: Traxer

Ze zijn een perfect alternatief voor HIPS, niet alleen omdat ze niet het gebruik van organische oplosmiddelen vereisen, maar ook omdat ze filamenten zijn ontwikkeld en geadditiveerd specifiek voor gebruik als ondersteuningsmateriaal, dus ze lossen doorgaans sneller op en laten minder residu op het onderdeel.

Video 1: Videopresentatie van PolyDissolve S2. Bron: Polymaker

Enkele representatieve filamenten zijn PolyDissolve S2 en Z-SUPPORT ATP.

WATER-OPLOSBARE FILAMENTEN

Een van de hoofddoelstellingen van fabrikanten is geweest om ondersteuningsfilamenten direct in water oplosbaar te verkrijgen. Dit is omdat het geen organische oplosmiddelen of alcalische oplossingen vereist, wat het de veiligste en meest toegankelijke alternatief voor de meeste gebruikers maakt.

Daarom is het de categorie met de grootste verscheidenheid aan verschillende materialen, en met opties compatibel met een breed scala aan filamenten.

Binnen de water-oplosbare filamenten kunnen twee typen onderscheiden worden:

Water-oplosbare filamenten compatibel met laagtemperatuurmaterialen: Dit zijn filamenten gebaseerd op PVA (polyvinylalcohol) of BVOH (butenediolvinylalcohol). Beide materialen hebben uitstekende compatibiliteit met PLA en kunnen met PA gebruikt worden (hoewel hun compatibiliteit niet zo goed is). BVOH kan beschouwd worden als een evolutie van PVA en heeft een aantal voordelen ten opzichte van PVA, zoals betere compatibiliteit met PETG of zelfs met sommige flexibele filamenten en een hogere oplossingssnelheid in koud water. Sommige PVA filamenten zijn LAY-PVA of PVA Raise, terwijl Mowiflex of Z-SUPPORT Premium gebaseerd zijn op BVOH.

Video 2: Vergelijking tussen PVA en BVOH. Bron: BCN3D

Water-oplosbare filamenten compatibel met hoge-temperatuurmaterialen: Dit zijn de meest geavanceerde ondersteuningsfilamenten momenteel beschikbaar. Ze bestaan uit een materiaal samengesteld uit een mengsel van een water-oplosbaar polymer (vergelijkbaar met de vorige) en een suiker, doorgaans trehalose, een polysacharide dat snel oplosbaar is in water en met hoge thermische stabiliteit. De verhouding tussen polymer en suiker, samen met het gebruik van bepaalde additieven specifiek voor elke fabrikant, maakt het mogelijk om verschillende formuleringen van water-oplosbare materialen te verkrijgen die compatibel zijn met materialen in een breed temperatuurbereik, van ABS tot PEEK of ULTEM.

Afbeelding 5: PA-CF onderdeel met ondersteuningen gemaakt van Aquatek X1. Bron: 3DXTech

Sommige filamenten zoals Aquasys 120 of Aquatek X1 zijn compatibel met PLA evenals ABS, ASA, PA, PETG of bepaalde flexibele filamenten. Aquasys 120 kan ook gebruikt worden met PC of PP. Bovendien kunnen beide materialen kamertemperaturen van tot 120°C weerstaan en zijn daarom ook geschikt voor gebruik in industriële printers.

Een stap hoger is Aquasys 180, waarschijnlijk het meest geavanceerde en meest compatibele ondersteuningsmateriaal beschikbaar vandaag. Naast compatibel te zijn met dezelfde materialen als Aquasys 120, kan het gebruikt worden met PEKK, PEEK, ULTEM en PPSU aangezien het kamertemperaturen van tot 180°C kan weerstaan.

Afbeelding 6: Onderdeel met ondersteuningen geproduceerd in Aqusys 180. Bron: Infinite Material Solutions

Echter, het belangrijkste voordeel van dit type filamenten (hun hoge oplosbaarheid in water) is ook hun belangrijkste nadeel, aangezien ze zeer gevoelig zijn voor omgevingsvochtigheid. Dit maakt het noodzakelijk deze filamenten in speciale containers te bewaren, zowel tijdens opslag als gebruik. Bovendien, naarmate deze filamenten vocht absorberen, verslechtert hun adhesie en neemt het risico op verstoppingen toe.

HOE HET MEEST GESCHIKTE OPLOSBARE FILAMENT TE KIEZEN.

Bij het selecteren van het meest geschikte oplosbare filament is het nodig om het te complementeren materiaal te analyseren.

• ABS/ASA: In het algemeen is het raadzaam het gebruik van HIPS te vermijden omdat het de behandeling van organische oplosmiddelen inhoudt en afval genereert dat niet direct verwijderd kan worden. In dit geval zijn water-oplosbare ATP-filamenten met het gebruik van een activator de meest aanbevolen optie. Ze hebben uitstekende compatibiliteit met deze materialen en een lage gevoeligheid voor vocht, wat opslag en gebruik vergemakkelijkt, alsook het risico op printfouten minimaliseert.

• PLA: De materialen met de beste compatibiliteit met PLA zijn die gebaseerd op PVA en BVOH. Binnen deze zijn BVOH-gebaseerde materialen minder gevoelig voor vocht, hoewel in het algemeen PVA-gebaseerde materialen iets goedkoper zijn.

• PETG/PA: Hoewel het mogelijk is om PVA en BVOH als ondersteuningsmateriaal met PETG en PA te gebruiken, is hun compatibiliteit niet bijzonder goed. In dit geval is de beste optie water-oplosbare filamenten compatibel met hoge-temperatuurmaterialen zoals Aquasys 120.

• Flexibele: Compatibiliteit tussen ondersteuning en flexibele materialen is nooit bijzonder goed geweest. Het is mogelijk om BVOH of materialen zoals Aquasys 120 met sommige flexibele filamenten te gebruiken, echter het zal nodig zijn om elk flexibel filament te testen om compatibiliteit te verifiëren.

• PEEK/PEKKK/PEI/PPSU: In dit geval is de beste optie om Aquasys 180 te gebruiken, aangezien het het materiaal is dat de beste compatibiliteit met dit type materiaal garandeert en de beste thermische stabiliteit bij hoge temperaturen heeft.

• Als u doorgaans oplosbare ondersteuningen met verschillende materialen gebruikt, is de ideale optie om een enkel materiaal te gebruiken dat compatibel is met alle materialen, zoals Aquasys 120 of Aquatek X1, in plaats van een ander voor elk materiaal te hebben.

Hoewel oplosbare filamenten vaak als een enkele groep aangeduid worden, bestaan ze eigenlijk uit verschillende materialen, met hun eigen heel specifieke kenmerken. Vandaag de dag is het mogelijk om hoogwaardige oplosbare filamenten compatibel met bijna elk materiaal op de markt te vinden, van PLA tot PEEK.