Z pewnością wielu z was słyszało o druku 3D z rozpuszczalnymi podporami. Taki proces przede wszystkim kojarzy się zapewne z filamentem rozpuszczalnym w wodzie – PVA. Zagadnienie to dotyczy jednak szerszej gamy materiałów. Jednym z nich jest filament HIPS, który oprócz tego, że może posłużyć za materiał podporowy, ma wiele innych zalet.

HIPS – trochę o materiale

HIPS (High Impact Polystyrene) to materiał o właściwościach i procesie druku 3D zbliżonych do ABS. Charakteryzuje go wysoka twardość i odporność na uderzenia, a także wytrzymałość na wysokie temperatury. Oprócz tego dotyczy go zjawisko wzmożonego skurczu przetwórczego (nieco mniejszego od ABS) oraz wydzielanie nieprzyjemnego zapachu podczas przetwarzania. W porównaniu do popularnych w FDM materiałów jest dość lekki. Jest też mniej sztywny, nie pęka krucho. Wykonane z niego wydruki mają bardzo gładką, lekko śliską i połyskliwą powierzchnię.

O filamencie HIPS zazwyczaj mówi się przy okazji druku 3D ABS z rozpuszczalnym supportem. W tym procesie, jako materiał podporowy, wykorzystywany jest właśnie HIPS. Nieco bardziej znany materiał podporowy – rozpuszczalne w wodzie PVA – nie sprawdzi się przy wykorzystaniu materiałów, które wymagają wysokich temperatur przetwórczych i grzanej komory. HIPS natomiast drukuje się w podobnych warunkach termicznych jak ABS. Nie rozpuszcza się w wodzie, lecz w d-limonenie – substancji wykorzystywanej m.in. do płynów czyszczących podłogi, pozyskiwanej ze skórek cytrusów.

Właściwości materiału

Poniższe wartości mają charakter orientacyjny, ale odpowiadają danym podawanych w literaturze i przez producentów. Należy pamiętać, że tworzywa sztuczne są opisywane przez bardzo wiele parametrów. Poniżej widnieje jedynie ich ułamek.

Do czego można stosować HIPS? 

Jak sugeruje nazwa (High Impact Polystyrene), poza rozpuszczalnością w d-Limonenie HIPS charakteryzuje wysoka odporność na uderzenia i nieduża gęstość, przy zachowaniu wytrzymałości mechanicznej i termicznej zbliżonej do ABS. Ma on więc zastosowanie w sytuacjach, w których wymagane są zwiększona udarność i podwyższone temperatury otoczenia, a jednocześnie środowisko to nie jest agresywne chemicznie – HIPS jest odporny na działanie wody, lecz rozpuszcza się m.in. we wspominanym już d-limonenie, w rozpuszczalniku Solvent HIPS czy acetonie.

Ze względu na szczególne właściwości wizualne (gładka, połyskliwa powierzchnia) i możliwości obróbki (skrawanie, szlifowanie, barwienie) HIPS świetnie się sprawdzi także w zastosowaniach estetycznych: makietach architektonicznych, wzornictwie przemysłowym.

Czysta postać HIPS (bez uwzględnienia parametrów przetwórczych) jest zatwierdzona przez FDA do kontaktu z żywnością, dlatego też w przemyśle stosuje się go często do wytwarzania opakowań na produkty spożywcze. O tym na ile takie zaświadczenia przekładają się na produkty druku 3D możecie przeczytać tu.

Mimo wszystko HIPS stosuje się głównie w druku 3D z rozpuszczalnymi podporami – w przypadku modeli, gdzie dostęp do suportu, umożliwiający jego mechaniczne oddzielenie jest utrudniony lub grozi uszkodzeniem wydruku właściwego. Świetnym przykładem jest tu druk 3D elementów ruchomych, które mają zamodelowany luz, znajdujący się w osi Z wydruku – wykonanie tam rozpuszczalnych podpór umożliwi ich bezpieczne usunięcie z ciasnej przestrzeni, a samo połączenie, dzięki wykonaniu podpór, będzie charakteryzowało się gładszymi, lepiej odwzorowanymi ścianami.

Jak drukować?

Materiał HIPS ma zbliżony proces druku 3D do materiału ABS.

Temperatura dyszy ok. 230-250°C

Pamiętajmy tutaj, że posiadając hotend wyposażony w rurkę teflonową, możemy ją uszkodzić, stosując długotrwale temperatury w zbliżone do 250°C, gdyż jest to temperatura, przy której zaczyna on degradować.

Grzana komora

Bardzo zalecana, szczególnie jeżeli HIPS służy za materiał podporowy z ABS. Skurcz przetwórczy i konsekwentne podwijanie się wydruku, jakie zachodzi dla obydwu materiałów, może skutkować w tym przypadku brakiem styczności drukowanych supportów z podpieranymi elementami. W efekcie może dojść do sytuacji, w której podpory nie będą spełniać swojej roli.

Temperatura stołu

Powinna wynosić ok. 80-110°C.

Chłodzenie

W przypadku druku HIPS zaleca się wyłączyć chłodzenie lub stosować bardzo nieduże wartości (rzędu 20-30% mocy wentylatora).

Adhezja

HIPS można stosować jako materiał podporowy pod materiały wysokotemperaturowe (odporne na działanie d-limonenu, tj. ABS, ASA), możemy więc wykorzystać go także do wykonania struktury typu raft. Jest to jednak filament, który także będzie podlegać zjawisku podwijania się, dlatego stosujmy środki adhezyjne przeznaczone do wyższych temperatur stołu (Dimafix) i zadbajmy o dobre wypoziomowanie stołu roboczego po nagrzaniu, przed samym procesem druku 3D.

Minion Dave wykonany z filamentu Spectrum Bahama Yellow HIPS-X

Użycie HIPS do druku podpór rozpuszczalnych

Do wykonywania rozpuszczalnych supportów wymagana jest drukarka wielodyszowa lub obsługująca w inny sposób druk wieloma materiałami. Dobierając parametry takiego procesu, należy także zadbać o dodatkowe ustawienia.

Podział procesu na poziomie slicera na druk dwoma materiałami i przypisanie każdemu z nich odpowiednich temperatur druku, ustawień przepływu (flow) i średnicy dyszy (jeśli stosujemy różne dysze w ekstruderach).

Zaznaczenie w slicerze elementów drukowanych przy wykorzystaniu dyszy z materiałem docelowym (obrysy i wypełnienie) oraz elementów drukowanych przy wykorzystaniu dyszy z materiałem podporowym (supporty i ewentualny raft).

Możemy zmniejszyć odległość w osi Z między supportem a wydrukiem – podpory nie będą wyłamywane, lecz rozpuszczane, zatem nie ma potrzeby zostawienia szczeliny, która umożliwia podważenie i separację podpór od materiału właściwego wydruku.

Ustawienia zmiany narzędzia – zazwyczaj slicer w ustawieniach druku dwudyszowego posiada także opcje odpowiedzialne za zmianę narzędzia – zwykle odpowiada to zabiegowi retrakcji pewnej ilości filamentu, zmniejszającego ilość materiału, jaka może bezwładnie wypłynąć z dyszy. Zweryfikujmy, czy ta odległość jest dopasowana do naszego typu ekstrudera (zbyt duża wartość dla ekstruderów typu direct może spowodować całkowite wysunięcie filamentu z systemu podawania).

Prawidłowo zdefiniowany offset dysz ekstrudera – jeżeli nasza drukarka dwudyszowa posiada układ, w którym obydwie dysze robocze znajdują się w pozycji stałej (nie mamy do czynienia z przesuwaniem się dyszy aktywnej w miejsce nieaktywnej), należy zdefiniować w slicerze ich wzajemną pozycję. Odległość podana przez producenta, znajdująca się w domyślnych ustawieniach, może być niedokładna – wystarczy lekkie odchylenie, związane z niedokładnościami wykonania i zmontowania układu, aby powstała różnica rzędu 0,01 mm, która będzie widoczna jako przesunięcie się względem siebie elementów drukowanych różnymi dyszami.

Włączony ooze shield – to dodatkowa, drukowana dookoła modelu struktura, której zadaniem jest zapewnienie dla dyszy, która kończy „swoją kolej” druku, bezwładnego wycieknięcia resztek materiału, jakie się w niej zgromadziły. W ten sposób unikniemy w modelu wtrąceń z materiału, pochodzących od nieaktywnej dyszy.

Włączony prime pillar to także dodatkowa, drukowana struktura w kształcie słupka, której celem jest „rozruch” dla dyszy, która będzie drukować jako następna. Po wycieknięciu nadmiarów materiału z dyszy przy jej wyłączeniu, potrzebna jest chwila na doprowadzenie materiału z powrotem do jej wylotu. Zaniedbanie tego etapu procesu może doprowadzić do powstawania dziur w miejscach, gdzie zaczyna się wydruk 3D.

W zależności od slicera, ooze shield i prime pillar mogą być wykonywane w różny sposób, uzupełniając się nawzajem. Przykładowo w Simplify 3D prime pillar przeznaczony jest jedynie do druku wielokolorowego jedną dyszą, a struktura ooze shield jest drukowana przed wydrukiem przez obydwie dysze, spełniając rolę prime pillara. W Cura Ultimaker natomiast prime pillar pełni funkcję ooze shielda – po wydrukowaniu jednej warstwy przez aktywną dyszę następuje wytarcie dyszy nieaktywnej o strukturę.

Przeprowadziliśmy test podpór HIPS, korzystając z dostępnego w internecie modelu 3D. Wydruk umieściliśmy w szczelnie zamykanym pojemniku, następnie zalaliśmy go rozpuszczalnikiem Solvent HIPS  i odstawiliśmy na dobę.

Przechowywanie

Mimo że filament HIPS nie jest tak higroskopijny jak np. PLA czy ABS i nie powinien ulec znaczącemu zawilgoceniu, nadal warto przechowywać go w suchym miejscu, chronić przed zakurzeniem i światłem słonecznym.

Post-processing

Jak zostało wspomniane wcześniej, HIPS jest rozpuszczalny w substancji d-limonen, co czyni go doskonałym rozpuszczalnym materiałem podporowym dla materiałów wysokotemperaturowych, takich jak ABS. Materiał ten rozpuszcza się także w acetonie, jednak wykorzystanie tej substancji przy usuwaniu podpór w wydrukach 3D z ABS czy ASA nie jest dobrym pomysłem – filamenty te także są znane z rozpuszczalności w tej substancji, a na d-Limonen pozostają niewrażliwe.

Aby rozpuścić podpory wykonane z HIPS, należy po prostu zanurzyć gotowy wydruk w d-limonenie lub specjalnie przeznaczonych do tego substancjach (solventach) na ok. 24 godziny. Ze względu na korzystniejszą cenę polecamy wykorzystanie solventów.

W rozpuszczalniku należy zanurzyć cały obszar z podporami – ciecz musi mieć wszędzie dostęp. Należy też od czasu do czasu wstrząsnąć pojemnikiem z wydrukiem, ułatwiając rozpuszczalnikowi dostęp do wszystkich zakamarków. Pamiętajmy, że d-limonen jest substancją łatwopalną, podrażniającą i szkodliwą dla środowiska, i należy ją stosować z należytą ostrożnością – stosując środki ochrony osobistej (maseczka, rękawiczki jednorazowe) oraz zabezpieczając substancję przed parowaniem. 

Podpory HIPS po dobie w rozpuszczalniku Solvent HIPS.

Podobnie jak ABS HIPS również jest rozpuszczalny w acetonie, wydruki z niego mogą więc być wygładzane w oparach tej substancji. O tej metodzie post-processingu wspominamy w artykule o ABS. Rozpuszczalność w acetonie wykorzystuje się również do klejenia wydruków z tego materiału. Dodatkowo HIPS można łatwo obrabiać skrawaniem czy malować.

Efekt końcowy po dokładnym oczyszczeniu wydruku.

Co może pójść nie tak?

Podwijanie się wydruku

Podwijanie się wydruku, szczególnie w miejscu połączenia podpór z HIPS z wydrukiem z ABS, wynikające ze skurczu przetwórczego obydwu materiałów. Dodatkowo skurcz ten będzie się różnił między materiałami występującymi w takim połączeniu.

Aby zniwelować efekty tego zjawiska, należy z dużą precyzją dobrać temperatury druku osobno dla każdego materiału, wykorzystać grzaną komorę, zapewniającą stałą temperaturę podczas procesu druku oraz możliwie całkowicie wyłączyć chłodzenie. Należy także zmniejszyć odległość separacji podpór od materiału wydruku – nawet do zera.

Lokalne nadtopienie lub przypalenie wydruku

Może wynikać z faktu, że nieaktywna, rozgrzana dysza, znajdując się nad wydrukiem, oddziałuje na niego, lokalnie go rozgrzewając. Szczególnie będzie to widoczne przy różnicach w spoziomowaniu dysz.

Niektóre slicery umożliwiają zmianę temperatury zarówno dla aktywnej, jak i nieaktywnej dyszy – warto wtedy zmniejszyć nieco temperaturę spoczynkową. Taki zabieg zredukuje też efekt nadmiernego wyciekania materiału. Zmiana temperatury nie powinna być zbyt duża, aby przy przełączaniu aktywnego narzędzia jego ponowne rozgrzanie nie trwało zbyt długo. Można też stosować z-hop, który skróci nieco kontakt dysz z materiałem wydruku.

Wtrącenia z innego materiału w wydruku

Związane z bezwładnym wyciekaniem materiału z nieaktywnej dyszy. Zadbajmy o dobre ustawienia ooze shield (możemy zmniejszyć prędkość jego wykonywania), możemy także zastosować zmianę temperatur w nieaktywnej dyszy opisaną w pkt 2. Możemy także spróbować zwiększyć ilość cofanego materiału przy zmianie narzędzia.

Przesunięcie podpór względem wydruku

Wynikające z niewłaściwego zdefiniowania offsetu dysz drukarki. Aby go dobrać, można wykonać wydruk kalibracyjny (np. Dual Extruder Calibration Print), zmierzyć odległości między elementami wydrukowanymi z dwóch różnych materiałów i odpowiednio zmienić w slicerze zdefiniowaną odległość w osi odpowiadającej przesunięciu. Upewnijcie się w podglądzie wydruku, jak są zdefiniowane osie dla waszej drukarki – która jest osią X, która Y i jaki jest ich kierunek dodatni.

Problem z przyklejaniem się warstwy drukowanej przez jedną z dysz

Jest to zjawisko związane z niedostatecznym wypoziomowaniem stołu do dwóch dysz i dotyczy drukarek 3D, w których obydwa ekstrudery są umieszczone w stałej, niezmiennej pozycji. Odpowiednie wypoziomowanie dysz w takich drukarkach 3D jest bardzo wymagającym zadaniem. Najodpowiedniejszym do tego przypadku podejściem będzie wypoziomowanie dysz jedna po drugiej, wykonując odpowiednie kroki:

1. Wybór głowicy roboczej (odpowiedzialnej za druk właściwego modelu z filamentów ABS, ASA itp.) i pomocniczej (odpowiedzialnej za druk podpór z filamentu HIPS). Ze względu na to, że kształt i wykonanie podpór są mniej istotne, głowica robocza powinna być elementem odniesienia dla pomocniczej. Jeżeli więc wasza drukarka 3D ma zamocowane hotendy, tak że jeden z nich jest w stałej pozycji, a drugi ma możliwość jej regulowania,  wybierzcie ten pierwszy jako głowicę roboczą. W przypadku możliwości lekkiej regulacji pozycji obydwu hotendów, wybierzcie jako głowicę roboczą ten, który znajduje się bliżej centrum stołu drukarki 3D.
2. Wypoziomowanie stołu pod głowicę roboczą przy rozgrzanym stole i dyszach. Od tego momentu nie ruszamy już śrub regulujących pozycję stołu, przynajmniej do zakończenia poziomowania obydwu głowic. Przeczytajcie, jak odpowiednio wypoziomować stół.
3. Wypoziomowanie głowicy pomocniczej – w pozycji jak najbliższej środka stołu należy poluzować hotend głowicy pomocniczej, tak by opadł na powierzchnię kartki papieru czy szczelinomierza, wykorzystywanych przy poziomowaniu głowicy roboczej, a następnie dopasować jego położenie, podobnie jak przy zwykłym poziomowaniu stołu. Później należy dokręcić pozycję hotendu i sprawdzić, czy nie opadł zbyt nisko podczas dokręcania.
   

Druk 3D dwoma materiałami jest pewnym wyzwaniem, mamy zatem nadzieję, że nasze porady ułatwią Wam opanowanie tej techniki i będziecie mogli cieszyć się drukiem z rozpuszczalnymi podporami. 😊Nie zapominajmy też o innych właściwościach materiału HIPS – możemy wykorzystywać go przecież bezpośrednio do wykonywania wydruków!

Zapraszamy również na naszego Facebooka i Instagrama – tam znajdziecie informacje o promocjach oraz zdjęcia naszych wydruków. Polecamy również naszą grupę Druk 3D Warszawa, gdzie publikowane są cenne wskazówki i informacje na temat druku 3D!

Źródła:

Springer Link Original Article published by David Baca & Rafiq Ahmad

Testing of mechanical properties of materialsused in FDM technology

Technical Data Sheet Spectrum Filaments HIPS-X

Wszystkie zdjęcia i gify – wykonanie własne 
Icon made by Freepik from www.flaticon.com