Финишная обработка изделий из полиамида после 3D-печати

В продолжение серии статей по постобработке изделий после печати в данном материале мы расскажем о финишной технологии применительно к деталям, выполненным такими методами печати, как: MJF, FDM, HSS и SLS-полиамидами и их производными.

Проблематика абсолютно идентичная с печатью металлом, отсутствие каких-либо технологий, которые позволяли бы получать стандартное качество от изделия к изделию в промышленном масштабе. Окрашивание изменяет размеры изделия, ручная полировка и травление не позволяют получить серийность. Еще большей драматичности добавляет тот факт, что, в отличие от печати металлом, SLS-печать уже сейчас конкурирует с традиционным производством малой и средней серии (литье пластика) по скорости и цене, и единственным параметром, который позволит полностью уйти от литья пластика в такой серийности, является качество поверхности.

Шероховатость полученной поверхности после печати полиамидом подходит только для производства прототипов или внутренних частей механизмов и никак не годится для большинства конечных изделий, которым требуется глянцевая, ровная поверхность, характерная для пластиковых товаров народного потребления.

В 2016 году на базе Шефилдского университета в Англии группой ученых была разработана технология BLAST (технология автоматизированного сглаживания верхнего слоя), которая легла в основу установки PostPro3D^® от компании AMT (рис. 1).

В 2017 году установка PostPro3D^® была удостоена премии в номинации «Технология года» по версии авторитетной команды экспертов на ежегодной выставке аддитивных технологий Formnext, а также стала финалистом TCT Awards 2018 в номинации «Лучшее решение для постобработки».

Процесс BLAST представляет собой физико-химический процесс, в основе которого лежит запатентованная химическая смесь веществ. Для обработки доступны все порошковые материалы для аддитивного производства, в том числе полиамид в различных вариациях (корбоно/стеклонаполненный, огнестойкий), термопластичный полиуретан и эластомер, ULTEM, PMMA. Так как для сглаживания используется газ, технология позволяет обрабатывать сложные внутренние полости деталей (рис. 2). Технология является управляемой, что позволяет воспроизводить результаты от партии к партии без ухудшения механических свойств. В результате обработки происходит перераспределение материала по поверхности, а не его удаление, как во время шлифования. Несмотря на это, обработка не изменяет структуру и геометрию изделия и позволяет получить поверхность с шероховатостью менее 1 Ra.

В итоге, установка PostPro3D^® представляет собой автоматизированное решение «под ключ», которое легко интегрируется в рабочий процесс. Используя ряд предопределенных наборов параметров и алгоритмов, PostPro3D^® впервые достигает качества поверхности, соответствующего методам литья под давлением. Эта технология — как раз тот самый недостающий элемент, позволяющий наконец заменить традиционные методы производства конечных изделий при сохранении экономики производства.

Сам процесс занимает от 60 до 120 минут в зависимости от необходимого результата и материала изделия и проходит в полностью автоматическом режиме. Все, что требуется от оператора, — это полностью очистить изделия от остатков порошка, загрузить на подставку и выбрать один из заранее запрограммированных режимов обработки. Рабочая жидкость поставляется в специальном картридже. Машина согласно программе закачивает необходимое количество в камеру обработки и после завершения цикла перекачивает отработанную жидкость в специальный картридж. После опустошения одного и заполнения другого картриджи необходимо заменить, весь процесс протекает в замкнутом контуре и никаким образом не влияет на окружающую среду. Операция замены не требует специальных знаний или оборудования и выполняется в один простой шаг. Максимальный размер обрабатываемого изделия 400×600×400 мм.

Немаловажно то, что газ не оставляет никаких следов после обработки и подходит для производства медицинских изделий (согласно требованиям ISO 10993).

Далее мы расскажем про результаты тестов, которые помогут понять в цифрах, какое влияние на изделие оказывает обработка.

Для теста были взяты три партии изделий по три изделия в каждом (сердце, пирамида и пластина), напечатанные на принтере HP из материала HP MJF PA12 (рис. 3). Предварительно изделия были очищены от остатков порошка.

Все три партии были обработаны отдельно друг от друга с последовательным изменением (улучшением) параметров относительно предыдущего цикла. Время обработки 60 минут. Все измерения производились в соответствии с американскими промышленными стандартами ASTM.

Шероховатость поверхности образцов измеряли с помощью прибора Mitutoyo Surftest SJ‑210. Пять измерений на разных участках каждой поверхности были сделаны до и после обработки, и было получено среднее значение.

Предел прочности при растяжении, относительное удлинение при разрыве и модуль Юнга были измерены для обработанных и необработанных образцов (рис. 4). Результаты показывают отсутствие потери предела прочности при растяжении в обработанных образцах. Удлинение при разрыве испытанных образцов значительно увеличилось, тогда как модуль Юнга уменьшился. Эти эффекты можно объяснить уменьшением количества мест возникновения трещин на поверхности полимера из-за удаления поверхностной пористости, как показано на микроскопическом изображении ниже.

Детали, обработанные на установке PostPro3D, имеют изменение размеров не более 0,4%. Это незначительное изменение размеров приводит к сохранению допусков деталей, сохранению мелких деталей и не влияет на заложенную собираемость.

Во время обработки поверхность изменяется в контролируемом диапазоне. И при сглаживании поверхностного слоя также изменяется цвет изделия в диапазоне от серого до глянцевого черного (рис. 5).

Был проведен эксперимент по погружению образцов в воду для изучения влияния обработки на водопоглощение. Обработанные и необработанные образцы с площадью поверхности 208 см2 были погружены в воду, и с определенными промежутками производилось повторное измерение веса образцов.

С первых минут опыта можно увидеть, что вода имеет тенденцию «прилипать» к поверхности необработанных образцов, что приводит к увеличению веса для деталей с большой площадью поверхности. При этом с поверхности обработанных образцов вода скатывается, не оказывая никакого воздействия. На рис. 6 можно наглядно увидеть скорость поглощения воды обработанным и необработанным изделием.

После проведенных опытов можно сказать, что обработка по технологии PostPro3D^® улучшает свойства изделия и помимо глянцевой поверхности позволяет получить много дополнительных улучшений, влияющих на механические и эксплуатационные характеристики.

Все это дает основания заявлять, что технология PostPro3D^® делает 3D-печать конкурентоспособной традиционным методам производства по всем параметрам, включая качество поверхности.

Установка уже используется такими компаниями, как Boeing и McLaren, и на деле доказывает свою необходимость в современном аддитивном производстве.

В этом году также станет доступной технология для окрашивания изделий PostProCOL^®. Плюс окрашивания по данной технологии в том, что краска проникает внутрь изделия и не меняет его размеров, в отличие от обычного окрашивания. Более подробно об этой технологии мы расскажем в следующей статье. ■