Szpula filamentu wygląda banalnie prosto: plastikowa nitka nawinięta na krążek. Tymczasem droga od granulatu do gotowej szpuli jest skomplikowanym procesem, w którym o sukcesie decydują ułamki milimetra i pojedyncze stopnie Celsjusza.
Jako polski producent, który od ponad dekady wytwarza filamenty do druku 3D we własnym zakładzie, dobrze znamy ten proces od podszewki. W tym artykule pokazujemy, jak wygląda produkcja filamentu krok po kroku.
Granulat – surowiec, od którego wszystko się zaczyna
Granulat to termoplastyczne tworzywo w postaci kilkumilimetrowych ziaren. Z podobnego granulatu powstają także obudowy sprzętu czy elementy wtryskiwane.
Każdy rodzaj granulatu ma opisaną w karcie materiałowej charakterystykę przetwórczą, na którą składają się poszczególne wskaźniki:
- Masowy wskaźnik płynięcia (MFR),
- Gęstość,
- Temperatura zeszklenia.
W przypadku filamentów Nebula z linii PREMIUM mówimy o materiale z MFR na poziomie 6 g/10 min (ASTM D1238), gęstości 1,24 g/cm3 i temperaturze zeszklenia 55-60°C. Dla PET-G kluczowa jest z kolei lepkość graniczna – 0,72 ± 0,02 dl/g wg ISO 1628-5 – bo to ona bezpośrednio przekłada się na wytrzymałość gotowej nitki filamentu.
To już na tym etapie można rozróżnić filament z segmentu premium z tym z najniższej półki. Pierwotny granulat renomowanego producenta ma powtarzalną masę cząsteczkową w każdej partii. Tańsze surowce – w szczególności regranulaty, materiały z odzysku, gatunki niededykowane – bywają zmienne, a tę zmienność widać dopiero na dyszy drukarki.
Krok 1: mieszanie i suszenie
Zanim granulat trafi do wytłaczarki, powstaje z niego mieszanka wsadowa. Jest to receptura, w której poza polimerem bazowym znajdują się koncentrat barwiący i ewentualne dodatki funkcjonalne. Proporcje są ważone i dozowane grawimetrycznie, bo to od nich zależą kolor i właściwości mechaniczne filamentu.
Do polimeru bazowego można dodać całą masę dodatków, które zmieniają jego właściwości. Wśród nich są modyfikatory udarności czy stabilizatory UV, szczególnie kluczowe dla ASA. W filamentach technicznych dochodzą wzmocnienia strukturalne, a w filamentach specjalistycznych, szczególnie nastawionych na efekt wizualny – dodatki brokatu czy materiał luminescencyjny.
Ważnym etapem całej produkcji jest suszenie filamentu. Woda ukryta w tworzywie nie odparowuje niewinnie. W gorącym polimerze zachowuje się jak pocisk – rozrywa długie łańcuchy cząsteczkowe, z których zbudowany jest materiał. Krótsze łańcuchy to słabszy filament, a ten proces jest niestety nieodwracalny.
Granulat trafia zatem do suszarek z osuszonym powietrzem obiegowym, które nie tylko podgrzewają materiał, ale też odbierają uwolnioną z niego wilgoć. Jednak należy pilnować, aby wysuszone tworzywo nie było wystawione na otwarte powietrze, gdyż wchłonie z niego wodę w ciągu kilku minut. Dlatego droga z suszarki do lejka zasypowego wytłaczarki prowadzi zamkniętymi kanałami.
Krok 2: ekstruzja filamentu
Ekstruzja filamentu to serce całego procesu. Przygotowana i wcześniej wysuszona mieszanka trafia do leja zasypowego wytłaczarki jednoślimakowej. Tam ślimak, obracając się w ogrzewanym cylindrze, przesuwa materiał przez kolejne strefy grzewcze.
Polimer topi się nie tylko od ciepła grzałek, ale też od tarcia i ścinania, przez co realna temperatura stopu bywa wyraźnie wyższa niż nastawy na sterowniku – i to właśnie ona, a nie liczba na wyświetlaczu, decyduje o degradacji materiału.
Za cylindrem znajduje się pakiet sit filtracyjnych, które zatrzymują zanieczyszczenia. Następnym elementem ekstrudera jest głowica z dyszą kalibrującą. To właśnie tam masa polimerowa staje się ciągłą nitką, ale to jeszcze nie jest finalne miejsce, w którym granulat przechodzi w pełnoprawną formę filamentu. Otwór dyszy jest bowiem większy niż docelowa średnica filamentu. Do wymiaru 1,75 mm doprowadza go zespół gąsienic odbierających, który dodatkowo ciągnie i rozciąga plastyczną żyłkę jeszcze bardziej, tak, by osiągnąć pożądaną średnicę.
Krok 3: chłodzenie i stabilizacja kształtu
Gdy nitka opuszcza dyszę, jest gorąca, miękka i całkowicie podatna na odkształcenia. Musi więc zostać wpierw schłodzona poniżej temperatury zeszklenia, zanim dotknie jakiegokolwiek elementu. Jeśli nitka dotrze do pierwszych rolek prowadzących w wannie chłodzącej i dalej do zespołu odbierającego nieschłodzona i plastyczna, docisk rolki lub gąsienicy spłaszczy jej przekrój. Może to skutkować owalnością filamentu, której nie da się naprawić już na dalszym etapie produkcji.
Nitka przechodzi przez wanny z wodą o kontrolowanej temperaturze. W praktyce to kilka wanien, w których stopniowo każda jest napełniana wodą o niższej temperaturze niż poprzednia.
Na etapie chłodzenia bardzo ważne jest odpowiednie stopniowanie temperatury wody chłodzącej. Zbyt gwałtowne studzenie może zostawić w materiale wewnętrzne naprężenia.
Źle ostudzony filament wygląda dobrze i ma właściwą średnicę, ale mechanicznie staje się kruchy i pęka na zagięciu przy prowadnicy drukarki albo kurczy się po rozwinięciu ze szpuli. Z kolei zbyt wolne studzenie też nie jest rozwiązaniem, bo pozwala nitce się odkształcić, zanim jeszcze zdąży stwardnieć.
Krok 4: nawijanie na szpulę
Po etapie chłodzenia filament trafia na nawijarkę z kontrolowanym naciągiem i prowadnikiem układającym nitkę na szpuli warstwa po warstwie. Nawijanie filamentu na szpulę wymaga jednak synchronizacji trzech zmiennych naraz:
- Prędkości liniowej materiału,
- Prędkości obrotowej szpuli malejącej wraz ze wzrostem średnicy nawoju,
- Skoku prowadnika.
Trzeba więc jednocześnie pilnować siły, z jaką nitka jest naciągana i tego, żeby zwoje układały się równo. Szpula w miarę zapełniania kręci się coraz wolniej, więc maszyna musi na bieżąco korygować wszystkie wartości.
Na tym etapie ryzyko błędu jest jak najbardziej możliwe i może przekładać się potem na jakość filamentu już w rękach użytkownika:
- Za mocny naciąg – nitka wciska się w warstwy pod spodem, więc potem, przy rozwijaniu, blokuje się albo trwale odkształca się.
- Za luźny naciąg – zwoje osuwają się na boki i wpadają pod sąsiednie. Powstaje klasyczny supeł, który może zostać ukryty w środku lub na końcu szpuli i ujawnić się dopiero po kilku godzinach druku.
- Nierówne układanie – nawój ma miejscowe wybrzuszenia. W użytkowaniu sprawia to, że drukarka interpretuje takie miejsca jako chwilowy brak materiału, przez co drukarka mocniej ciągnie filament.
Błędy w nawijaniu filamentu na szpulę przekładają się potem na jakość jego użytkowania. Powodują przerwy w wydruku, zmarnowany czas i frustrację. Dlatego w Nebula Filaments kładziemy szczególną uwagę na każdy etap produkcji naszych materiałów, aby zapewnić naszym użytkownikom wysoką jakość i powtarzalność w każdej partii filamentów.
Skąd bierze się kolor filamentu?
Filamenty do druku 3D można spotkać w szerokim wachlarzu kolorystycznym. Jak zatem wygląda „barwienie” filamentu na etapie produkcji?
Materiał nie jest malowany ani powlekany z zewnątrz. Pigment, który nadaje kolor, jest wymieszany z tworzywem w całej masie. Jego nośnikiem jest koncentrat barwiący, czyli masterbatch. To skoncentrowana mieszanka pigmentów, zamknięta w żywicy nośnej i dozowana do polimeru bazowego jeszcze przed stopieniem i wytłaczaniem.
Nośnik pigmentu to element, który łatwo może zniszczyć jakość gotowego filamentu. Musi pasować do polimeru bazowego, bo jeśli będzie z nim niekompatybilny, to pigment nie rozprowadzi się równo i będzie tworzył drobne grudki. Te następnie trafią z filamentem do dyszy drukarki i spowodują jej zatkanie.
W Nebula Filaments koncentraty barwiące wykonujemy na dedykowanych dla każdego tworzywa nośnikach, co przekłada się na jednorodny kolor i brak problemów z zapychaniem dyszy nawet podczas bardzo długich sesji druku.
Kontrola jakości i pomiar średnicy
Gdy filament jest już nawinięty na szpulę, przechodzi przez proces kontroli jakości. W naszej fabryce podchodzimy do niego z najwyższą starannością, a nasze szpule, zanim trafią do sklepu, muszą spełnić rygorystyczne procedury kontroli jakości.
Najważniejsze parametry, jakie sprawdza się w filamencie, to średnica, owalność, jednorodność barwy i wilgotność końcowa. Pierwsze dwa są najważniejsze, bo wprost przekładają się na późniejszy proces ekstruzji. Drukarka nie mierzy, ile materiału podaje, ale wylicza to z założonej średnicy 1,75 mm. Jeśli filament jest w jakimś miejscu cieńszy lub grubszy, drukarka nieświadomie wpuszcza niekontrolowaną ilość materiału. W takiej sytuacji, jeśli filament jest grubszy – powstają nierówności, a gdy jest cieńszy, pojawiają się dziury i słabe warstwy.
Pomiar filamentu odbywa się na bieżąco, na pracującej linii i w sposób bezkontaktowy. Za sekcją chłodzenia materiał przechodzi przez laserowy czujnik, który mierzy go w co najmniej dwóch prostopadłych osiach. Pozwala to wykryć nie tylko odchyły w wymiarach, ale i owalność.
Co najważniejsze, pomiar nie jest mierzeniem dla mierzenia. Gdy czujnik wykryje odchylenie, maszyna automatycznie koryguje prędkość ciągnięcia, co dzieje się w ułamku sekundy, zanim jeszcze odchyłka zdąży urosnąć.
Nasze filamenty mieszczą się w tolerancji ±0,02 mm przy zachowaniu okrągłości przekroju na poziomie 98%. Dla porównania: typowy standard w branży to ±0,05 mm.
Poza pomiarem na linii każda partia przechodzi przez kontrolę wyrywkową. Sprawdzana jest wilgotność, kolor względem wzorca, waga nawoju oraz przeprowadzany jest test wydruku. Referencyjny model pokazuje to, czego nie wykryją czujniki: czy materiał podaje się równo przez cały czas, jak wygląda wydrukowana powierzchnia i jak wypada adhezja warstw.
Pakowanie filamentu
Gdy filament jest gotowy należy go spakować. Jednak łatwo tu o potknięcie i zmarnowanie całego wysiłku włożonego w poprzednie etapy produkcji. Filamenty mają przecież tendencję do pochłaniania wilgoci z otoczenia.
Dlatego z pakowaniem filamentu nie należy zwlekać. Długo czekając na zapakowanie i będąc wystawionym na kontakt z powietrzem, materiał może stracić swoje właściwości.
Równie ważny jest sposób, w jaki producent pakuje filament. W Nebula Filaments dbamy o jakość naszych produktów i zadowolenie użytkowników, dlatego każda szpula pakowana jest w szczelny worek z pochłaniaczem wilgoci. Do opakowań materiał trafia bezpośrednio z linii produkcyjnej, więc kontakt z wilgocią jest ograniczony do minimum.
Warto jednak pamiętać, że ryzyko zwilgotnienia materiału nie występuje tylko na etapie produkcji i pakowania. Wilgoć to pierwszy wróg filamentów do druku 3D, a ryzyko związane z jej wchłonięciem to coś, czego nie da się ominąć. Można jednak dobrze zabezpieczyć swoje filamenty, odpowiednio je przechowując, o czym pisaliśmy w artykule: Jak prawidłowo przechowywać filament do druku 3D, aby nie chłonął wilgoci?
Najtrudniejszy element produkcji filamentu
Najtrudniejsza nie jest sama ekstruzja, a utrzymanie stabilności przez cały czas produkcji. Bo wyprodukowanie jednego metra idealnego filamentu jest łatwe. Tylko w jednej partii mieści się kilkaset kilometrów, a zachowanie tej samej grubości, odcienia i wytrzymałości na takiej ilości filamentu to już wyzwanie.
Wpływa na to więcej rzeczy niż można się spodziewać: temperatura na hali, która jest inna rano, a inna po południu; wilgotność powietrza, która zmienia się po weekendzie, kiedy hala stała pusta; czy stopniowe zużycie ślimaka i zbierające się na filtrach zanieczyszczenia.
Na etapie produkcji można popełnić wiele typowych błędów. Niedosuszony granulat oznacza hydrolizę polimeru i bąble w nitce, a co za tym idzie – obniżoną wytrzymałość wydruków. Przegrzany stop powoduje rozrywanie łańcuchów polimerowych, kruchość i przebarwienia. Zanieczyszczony surowiec zatyka filtry i powoduje zrywanie nitki, a brak ciągłej kontroli średnicy prowadzi do odchyleń, o których nie dowie się nikt na etapie produkcji. Ale dowie się o nich użytkownik na etapie druku.
Filament niskiej jakości vs filament premium
Filament premium od tańszego produktu to nie tylko różnica w cenie i marce. To różnica w jakości, która rozpoczyna się już na etapie produkcji materiału. Te dwa segmenty dzielą tak właściwie cztery rzeczy:
- Oryginalny surowiec zamiast tanich zamienników czy regranulatów,
- Pełny i rzetelny cykl suszenia zamiast skróconego dla oszczędności procesu,
- Ciągły pomiar wymiarów z automatyczną korektą zamiast wyrywkowego sprawdzania,
- Zapisana i udokumentowana receptura koloru, dzięki której każda partia zachowuje ten sam odcień.
W halach Nebula Filaments te wszystkie cztery elementy są zachowane: bazujemy wyłącznie na oryginalnych tworzywach renomowanych producentów, a do tego dochodzi jeszcze produkcja w Polsce, dzięki czemu oferujemy udogodnienia logistyczne: krótszą drogę do klienta i mniej czasu poświęconego na podróż szpuli w niekontrolowanych warunkach.
Podsumowanie: co ostatecznie decyduje o jakości?
Gdybyśmy mieli wskazać jeden czynnik, który decyduje o jakości filamentu, i to już na etapie produkcji, byłaby to powtarzalność. Bo rekordowy wynik tego samego parametru w wyrywkowym teście łatwo uzyskać, ale odtworzenie tej samej wartości w każdej partii przez kilka lat nie jest już takie proste.
Użytkownicy drukarek 3D stają się coraz bardziej świadomi, a wraz z rozwojem rynku rosną ich oczekiwania i wymagania. Nie potrzebują filamentu, który raz wyszedł idealnie. Potrzebują takiego, który dokładnie tak samo zachowa się przy zamówieniu 20., 40., 50., i tak dalej.
Ta powtarzalność bierze się natomiast z rzeczy nudnych: zapisanych receptur, rzetelnego suszenia, ciągłego pomiaru i uciążliwego testowania. Ale to właśnie te nudne i rutynowe czynności zapewniają regularność naszych filamentów.
Cały nasz asortyment – od codziennych materiałów z linii PREMIUM, przez filamenty techniczne TECH, po efektowną linię ART i budżetowy COLORFIL – znajdziesz w sklepie Nebula Filaments. Jeśli masz pytanie o dobór materiału do konkretnego projektu, napisz do nas – chętnie podzielimy się wiedzą.