فیلامنت PVA در پرینتر سه بعدی چیست؟
فیلامنت پلی وینیل الکل با نام اختصاری PVA، گروه مهمی از مواد را در حوزه پرینت سه بعدی شامل می‌شود. این ماده در آب حل می‌شود که مزیت مهمی برای پرینت به حساب می‌آید. زیرا برای پرینت داربست‌های تکیه‌گاهی با PVA، می‌توان از اکسترودر چندگانه استفاده کرد و بعد از پایان کار، تکیه‌گاه را به راحتی حذف کرد. PVA مزایای دیگری هم دارد که با وجود همه آن‌ها، می‌تواند به عنوان یک ماده تقویتی فوق‌العاده در پرینت سه بعدی به کار برود. علاوه بر حلالیت در آب، PVA در حالت مذاب بسیار چسبنده است و در بازه دمایی 180 تا 210 درجه سلسیوس پرینت می‌شود.
ماده PVA نخستین بار در سال 1912 توسط یک شیمیدان آلمانی به نام فریتس کلاته تولید شد و همان موقع به ثبت رسید. سپس، اواخر دهه 30 میلادی در ژاپن به مرحله تجاری‌سازی رسید. آن موقع، شرکت ژاپنی Kuraray واینایلون و کورالون را به شکل فیبرهای ارزان قیمت تولید می‌کرد. فیبرها درجه حلالیت مختلفی داشتند که بر این اساس، برای کاربردهای متفاوتی مناسب بودند. برخی از فیبرهای PVA برای بهبود خواص بتن تهیه می‌شدند، برخی دیگر برای تقویت لاستیک و دسته‌ای از آن‌ها نیز مقاومت فیبر شیشه را در برابر شوک و چروک‌خوردگی افزایش می‌دادند. PVA در اصل به شکل پودر است. برای آنکه به صورت فیلامنت پرینت سه بعدی درآید، پودر آن ذوب شده و اکسترود می‌شود. خواص در این فیلامنت پرینت سه بعدی در همه جای آن یکسان است. علاوه بر این، فیلامنت‌های PVA در بسته‌بندی‌هایی عرضه می‌شوند که رطوبت هوا از آن‌ها عبور نمی‌کند. زیرا اگر این ماده در معرض رطوبت قرار بگیرد تجزیه شده و به صورت توده‌ای نرم درمی‌آید. موضوع مورد بحث در مقاله پیش رو نیز فیلامنت پرینت سه بعدی PVA است که در ادامه ترکیب، خواص و روش‌های پیشنهادی برای پرینت آن مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
PVA با فرمول شیمیایی [CH2CH(OH)]n یک پلیمر سنتزی است که از آبکافت پلی وینیل استات به دست می‌آید. فیلامنت‌های رایج PVA که در آمازون عرضه می‌شوند یا از یک PVA خالص (پلی‌وینیل الکل) تهیه شده، یا ترکیبی از چند PVA مختلف هستند. چندین PVA مختلف باهم ترکیب می‌شوند تا میان خواصی همچون چسبندگی، استحکام، حلالیت در آب و مشخصات جریان مذاب یک توازن مطلوب به وجود بیاید.
فیلامنت‌های پرینت سه بعدی PVA در قطرهای مختلفی عرضه می‌شوند، اما همه آن‌ها از PVA خالص تهیه شده و به غیر از عوامل رنگی، هیچ افزودنی یا کوپلمیری در آن‌ها وجود ندارد. گاه نیز ممکن است وزن مولکولی پلیمر در بین تولیدکنندگان تفاوت کند که یک امر طبیعی است و به دلیل تغییر مقدار n در فرمول شیمیایی است. با تغییر وزن مولکولی، دمای ذوب و چگالی نیز تغییر خواهد کرد. از این رو، ممکن است برای مثال فیلامنت‌های PVA دو برند Esun و Flashforge از مشخصه‌های کاملا یکسانی برخوردار نباشند.
برخی از خواص مطلوب این فیلامنت عبارت هستند از:
- ظاهر سفید (مگر آنکه با استفاده از افزودنی‌ها رنگی شود.)
- نیمه شفاف
- مقاوم به حلال‌های آلی و روغن‌ها
- حل شوندگی زیاد در آب (درجه حلالیت بر اساس وزن مولکولی و میزان جذب رطوبتی که به نوع سازنده وابسته است، تفاوت خواهد داشت.)
- در مقایسه با بیشتر پلیمرهایی که در پرینت سه بعدی به کار می‌روند، امتیاز بالایی در استحکام کششی دارد.
- انعطاف پذیری و مقاومت به سایش آن نسبت به بسیاری از پلیمرها بیشتر است.
ماهیت PVA به گونه‌ای است که به خوبی حل می‌شود و همین هم باعث شده که به عنوان تکیه‌گاه داربستی بخش‌های برآمده در قطعات دیگر به کار به رود. علاوه بر این، PVA می‌تواند خیلی خوب به ماده ساخت بچسبد و آن را محکم نگه دارد که این موضوع دقت فرآیند پرینت را تا حد زیادی بالا می‌برد.
همین الان سفارش خود را ثبت کنید!
در جدول زیر خواص فیلامنت PVA با خواص فیلامنت‌های HIPS (پلی‌استایرن با مقاومت ضربه‌ای بالا) و ABS (آکریلونیتریل بوتادین استایرن) مقایسه شده است.
خواص | PVA | HIPS | ABS |
استحکام نهایی | ۷۸MPa | ۳۲MPa | ۴۰MPa |
سفتی | پایین | بالا | متوسط |
دوام | بسیار بالا | بالا | بسیار بالا |
بیشینه دمای کارکرد | ۷۵°C | ۱۰۰°C | ۹۸°C |
انبساط حرارتی | بسیار بالا | بسیار بالا | بالا |
چگالی | ۱.۲۳g/cm3 | ۱.۰۳ – ۱.۰۴g/cm3 | ۱.۰۴g/cm3 |
قیمت نسبی (در این گروه) | بالا | متوسط | پایین |
قابلیت پرینت شدن | خیلی ضعیف | متوسط | خیلی خوب |
دمای اکسترودر | ۱۸۵ – ۲۰۰°C | ۲۳۰ – ۲۴۵°C | ۲۲۰ – ۲۵۰°C |
میزان جذب رطوبت | بسیار زیاد | بسیار کم | بسیار کم |
میزان حل شوندگی | حلالیت زیاد در آب گرم | حلالیت زیاد در دی‌لیمونن | حل نشدنی |
PLA یا پلی لاکتیک اسید، ماده‌ای است که منشا گیاهی دارد و از این رو، بیشتر برای پرینت سه بعدی در تنش‌های پایین به کار می‌رود. PLA نسبتا ضعیف و شکننده است و در برابر سایش مقاوم نیست، اما در دماهای پایین پرینت می‌شود. دقت ابعادی پرینت‌های PLA متوسط است و کیفیت سطح قطعات در روش‌های FDM و FFF قابل قبول است. PLA برای تولید قطعات مصرفی به کار می‌رود، اما PVA بیشتر برای داربست‌های تکیه‌گاهی استفاده می‌شود که در پایان پرینت به طور کامل شسته و از بین می‌روند.
HIPS که مخفف «پلی‌استایرن با مقاومت ضربه‌ای بالا» است، یک پلیمر با استحکام متوسط و مقاوم به سایش است. HIPS برای ساخت نوعی داربست‌های تکیه‌گاهی به کار می‌رود که در پایان کار از قطعه اصلی جدا می‌شوند. این ماده نسبتا محکم و مقاوم است، اما پیوند ضعیفی با دیگر پلیمرها تشکیل می‌دهد. خود همین امر هم باعث می‌شود که تکیه‌گاه‌های از جنس HIPS به راحتی از مدل جدا شوند. این نوع پلی‌استایرن می‌بایست در دماهای بالای 50 درجه سلسیوس پرینت شود که پرینت کردن آن را دشوار می‌سازد. این دما نسبت به دمای مورد نیاز فیلامنت معمولی PVAبیشتر است. از سوی دیگر، PVA استحکام متوسطی دارد و در آب نیز حل می‌شود.
PETG یکی از فیلامنت‌های پرطرفدار است که نسبتا راحت پرینت می‌شود و البته محکم، بادوام، مقاوم به سایش و ارزان است. این فیلامنت در رنگ‌های متنوعی عرضه می‌شود. به علاوه، قابلیت پذیرش بسیاری از افزودنی‌ها و اصلاح‌کننده‌ها را هم دارد. PETG در دمایی بین 230 تا 250 درجه سلسیوس پرینت می‌شود و به طور کلی، پرینت کردن آن آسان تلقی می‌شود. از PVA می‌توان به عنوان ماده تکیه‌گاهی قطعات PETG استفاده کرد.
همین الان سفارش خود را ثبت کنید!
چگونه PVA را پرینت سه بعدی کنیم؟
اگر می‌خواهید پرینت موفقی با PVA داشته باشید، خوب است نکات زیر را به خاطر بسپارید:
- PVA را در یک محیط خشک نگهداری کنید. اگر به هر دلیلی رطوبت جذب کرد، پیش از شروع پرینت آن را به مدت حداقل یک ساعت تا دمای 45 تا 55 درجه سلسیوس حرارت دهید.
- هنگام پرینت از سپر محافظ چکه (ooze shield) یا لایه‌ای که برای تمیز نگاه داشتن پرینت به دور آن کشیده می‌شود، استفاده کنید. با وجود سپر محافظ چکه، آسترکاری توسط اکسترودر به خوبی انجام می‌شود و مهم‌تر آنکه اجازه نمی‌دهد تارهای نازک اضافی به قطعه اصلی بچسبند یا مزاحم لایه‌های بعدی شوند.
- برای شروع بهتر است که چگالی بخش‌های تکیه‌گاهی را 30% و چگالی لایه‌های دوطرفه را در مدل اصلی 70 تا 100% در نظر بگیرید.
- بالا بردن حد فاصله جدایش در لایه‌های پایینی، دقت پرینت و کیفیت سطح را بالا می‌برد.
- برای حل کردن فیلامنت PVA، همه قطعه را به یکباره در آب گرم فرو کنید و بعد از آنکه نرم شد، هر چیزی که باقی مانده بشویید.
جدول زیر یک پیکربندی پیشنهادی برای تنظیمات پرینت سه بعدی PVA ارائه می‌دهد.
تنظیمات پرینت | مقدار |
دمای نازل | ۲۱۵ ˚C تا ۲۲۵ ˚C (بسته به تولیدکننده متغیر است.) |
دمای بستر | ۴۵ ˚C تا ۶۰ ˚C (با توجه به پرینت خود تنظیم کنید یا در صورت لزوم تغییر دهید.) |
سرعت پرینت | ۳۰ mm/s |
سرعت فن اکسترودر | ۵۰% (در صورت لزوم، با ارزیابی پرینت خود این مقدار را تغییر دهید.) |
سرعت عقب نشینی (ریترکشن) | ۴۰ mm/s |
فاصله عقب نشینی (ریترکشن) | ۵ mm |
شارش فیلامنت | ۲۵-۳۰ mm/s برای یک نازل ۰.۴ میلی‌متری |
ارتفاع لایه | ۵۰% قطر نازل (در صورت لزوم تغییر دهید.) |
جنس بستر پرینت | شیشه‌ای به همراه یک لایه از چسب ماتیکی (Magigoo) |
محفظه گرم | نیازی نیست مگر آنکه برای ماده مورد نظر ضروری باشد. |
سرعت پرینت PVA چقدر باید باشد؟
بهترین سرعت برای پرینت PVA، 30 میلی‌متر بر ثانیه است. PVA در دماهای بالاتر کمی شکننده است، به همین خاطر باید آهسته‌تر از مواد دیگر پرینت شود.
آیا پرینت PVA مستلزم یک بستر گرم است؟
بله؛ خوب است که هنگام پرینت PVA و به ویژه برای پرینت‌های بزرگ، از یک بستر گرم استفاده شود. این کار احتمال اعوجاج ناشی از حرارت را کم می‌کند و در آخر نیز، زمانی که ماده سرد می‌شود، اجازه نمی‌دهد ماده دچار انفصال شود.
در پرینت PVA چه ضخامتی برای دیواره‌ها مناسب است؟
کمترین ضخامتی که دیواره‌ها می‌توانند داشته باشند، به قطر اکسترودر وابسته است. دیواره‌ای که تنها از یک لایه تشکیل شده باشد، با هر طول و ارتفاعی که بخواهد، به اندازه کافی پایدار نخواهد بود. بنابراین برای حفظ دوام دیواره‌ها، باید حداقل به اندازه دو لایه ضخامت داشته باشند. برای مثال اگر قطر نازل 0.4 میلی‌متر باشد، به این معنا است که حداقل ضخامت دیواره‌ها باید 0.8 میلی‌متر باشد؛ حال آنکه سه لایه یا 1.2 میلی‌متر دوام بسیار بیشتری خواهد داشت.
در پرینت سه بعدی PVA چگالی مناسب برای دیواره‌ها چقدر است؟
یک راهنمایی عمومی آن است که برای پر کردن داخل دیواره‌ها به هنگام پرینت سه بعدی PVA، از 50% شروع کنید. کم پیش می‌آید که چگالی پرکننده‌ها به کمتر از 20% برسد چرا که به طور مبرهن، استحکام اندکی به قطعه می‌بخشد. بیشترین چگالی نیز اغلب 75% در نظر گرفته می‌شود؛ بیشتر از این مقدار هزینه زیادی را متحمل می‌سازد، در حالی که مقدار ناچیزی به استحکام اضافه می‌کند.
PVA، ماده نسبتا خوبی برای پرینت شدن است. دوام و استحکام آن از PLA (پلی لاکتیک اسید) بیشتر است و دما تاثیر کمتری بر آن دارد. با این حال، مدل‌هایی که از PVA ساخته می‌شوند عمر مفید کوتاه‌تری دارند. در شرایط عادی، قطعات PVA رطوبت محیط را به خود جذب می‌کنند، در نتیجه، حتی بیشتر از قطعات PLA باد کرده و نرم می‌شوند. اما در شرایط خشک ماده خوبی برای ساخت و تولید خواهد بود. پیش از این گفته شد که یکی از کاربردهای مهم PVA، تولید تکیه‌گاه پرینت است؛ متاسفانه PVA برای این کار زیادی گران است. علاوه بر این، تعداد موادی که دمای ذوب PVA با آن‌ها متناسب باشد نیز بسیار اندک است.
در قلمروی پهناور پرینت سه بعدی تنها کاربرد PVA، ساخت داربست‌های تکیه‌گاهی است. برخی سازه‌های پرینتی اگر تکیه‌گاه نداشته باشند به خوبی پرینت نمی‌شوند و گاهی، حتی امکان پرینت آن‌ها به وجود نخواهد آمد؛ در چنین مواقعی از داربست‌های PVA برای تقویت و پشتیبانی آن‌ها استفاده می‌شود. بعد از اتمام پرینت، ساختار تکیه‌گاهی شسته شده و از بین می‌رود. معمولا برای اکسترود تکیه‌گاه‌های PVA از یک اکسترودر دوم استفاده می‌شود، هرچند گاهی این ساختار هم به همان روشی ساخته شود که ماده اصلی قطعه قرار است پرینت شود.
دمای ذوب یک فیلامنت PVA معمولی، چیزی حدود 200 درجه سلسیوس است. اما این دما با توجه به وزن مولکولی و میزان جذب رطوبت که در هر برندی متفاوت است، متغیر خواهد بود.
خیر؛ فیلامنت PVA معمولی سمی نیست. بلکه حتی در حوزه پزشکی هم کاربرد دارد. از جمله آن‌ها می‌توان به ایمپلنت‌هایی که خود به خود حل می‌شوند، استنت‌های شریانی، باندهای پزشکی و انواعی از سیستم‌های دارو رسانی که به صورت آهسته رهش کار می‌کنند، اشاره کرد. این ماده هیچ ضرری ندارد و در صورت هیدرولیز شدن نیز به عواملی تجزیه می‌شود که به هیچ عنوان سمی نیستند.
بله؛ PVA به میزان زیادی در آب حل می‌شود. برخی قرص‌های دارویی با این ماده پوشیده می‌شوند و در برخی داروها هم به عنوان روکش به کار می‌رود تا دارو رسانی را به روش آهسته رهش انجام دهند. حال این داروها ممکن است به صورت دهانی مصرف شده یا اینکه در بدن بیمار کاشت شوند.
بله؛ PVA زیست تجزیه پذیر است. این ماده در طبیعت به سرعت تجزیه شده و محصولات جانبی حاصل از این واکنش، مواد مغذی مورد نیاز دسته‌ای از باکتری‌ها و قارچ‌ها را فراهم می‌کنند.
PVA اغلب در گروه مواد قابل بازیافت قرار می‌گیرد. زیرا قابلیت ذوب و استفاده دوباره را دارد. با این وجود، تا کنون مقادیر زیادی از PVA در مرحله مصرف دیده نشده است که بتوان نیاز به چنین فرآیندی را برای PVA توجیه کرد. از سوی دیگر، علیرغم حل شوندگی زیادی که در آب دارد حضور آن در پسماندهای مخلوط از چندین پلیمر ترموپلاستیکی ضرری به جای نخواهد گذاشت. از این بابت جای نگرانی نیست، چرا که در ترکیبات پلیمرهای ترموپلاستیک، PVA می‌تواند با پلیمرهای دیگر مخلوط شود و به احتمال زیاد نیز تنها سهم کوچکی به آن اختصاص دارد.
بله؛ PVA به شدت جاذب رطوبت است. این مسئله، نگهداری آن را سخت می‌کند اما در مقابل، به حل شدن پرینت PVA در آب کمک می‌کند. در صورتی که PVA آب بیشتری جذب کند، یک هیدروژل تشکیل می‌دهد که کاربردهای صنعتی و تجاری بسیاری دارد.