Co działa na wydruk pod gołym niebem
- Promieniowanie UV. Światło i tlen uruchamiają w polimerze reakcję łańcuchową, która tnie łańcuchy cząsteczek. Efektem jest kruchość, spadek udarności i wydłużenia, drobne pęknięcia na powierzchni, a w części tworzyw także żółknięcie.
- Temperatura. Część wystawiona na słońce nagrzewa się wyraźnie powyżej temperatury powietrza. Przegląd mechanizmów degradacji tworzyw zauważa, że wpływ temperatury jest często większy niż sam wpływ UV, a oba procesy wzajemnie się przyspieszają.
- Wilgoć i deszcz. Woda wnika w szczeliny między ścieżkami i w puste przestrzenie wypełnienia. Niektóre tworzywa chłoną ją z powietrza, co zmienia ich wymiary i sztywność.
- Mróz. Woda uwięziona we wnętrzu wydruku zamarza i rozszerza się, a wiele tworzyw w niskiej temperaturze traci udarność.
- Obciążenia. Wiatr, ciężar, wibracje i stały docisk śrub działają przez całe miesiące. Pod stałym obciążeniem i w cieple tworzywo powoli się odkształca.
Każdy z tych czynników osobno jest do opanowania. Problem polega na tym, że na zewnątrz działają razem: nagrzana słońcem, osłabiona przez UV część z wodą w środku pracuje pod obciążeniem.
Jak zachowują się popularne filamenty
| Materiał | UV i pogoda | Temperatura i wilgoć | Na zewnątrz |
|---|---|---|---|
| PLA | słaba odporność | zeszklenie ok. 60–65 °C; w temperaturze otoczenia rozkłada się bardzo powoli | tylko w cieniu i na krótko |
| PETG | umiarkowana (dane dla pokrewnego PET) | odporny na wodę; do większości zastosowań poniżej 80 °C | dobry wybór do mniej wymagających części |
| ASA | bardzo dobra, ok. 10 razy lepsza niż ABS | zeszklenie ok. 100 °C; producent podaje odporność do 93 °C | pierwszy wybór na słońce |
| PC | żółknie w słońcu, chroni się go powłokami | wysoka odporność cieplna | przy wysokiej temperaturze, z ochroną powierzchni |
| TPU | zależy od gatunku | polieterowe dobrze znoszą wodę i mróz | uszczelki, odboje, elementy elastyczne |
| PA (nylon) | zależy od gatunku | chłonie wilgoć, zmienia sztywność i wymiary | części mechaniczne z zapasem i testem |
Wartości temperatur pochodzą z różnych metod pomiaru i zależą od producenta, koloru oraz grubości ścianek. Ich znaczenie wyjaśniamy w artykule odporność temperaturowa materiałów do druku 3D.
PLA, PETG i ASA w praktyce
PLA ma temperaturę zeszklenia około 60–65 °C, więc element na nasłonecznionym parapecie, w samochodzie albo na ciemnej elewacji może zmięknąć i trwale się odkształcić. Wbrew popularnej opinii PLA nie rozpada się na balkonie w kilka tygodni: jego rozkład przebiega najszybciej powyżej 60 °C, w warunkach kompostowni przemysłowej, a w temperaturze otoczenia jest bardzo powolny. W przydomowym kompoście lub glebie pełny rozkład może trwać nawet kilkadziesiąt lat. Na zewnątrz problemem jest raczej mięknięcie w cieple niż biodegradacja.
PETG jest odporny na wodę i wilgoć. Dokumentacja producenta drukarek opisuje go jako odpowiedni do większości zastosowań zewnętrznych przy temperaturach poniżej 80 °C. O odporności PETG na UV ta dokumentacja nie mówi. Przegląd literatury opisuje odporność pokrewnego PET na UV jako umiarkowaną, choć lepszą niż w wielu innych popularnych tworzywach. Zachowanie konkretnego PETG zależy więc od produktu i stabilizatorów, a do części eksponowanych latami na pełnym słońcu bezpieczniej wybrać ASA, którego odporność na warunki atmosferyczne jest dobrze udokumentowana.
ASA to krewny ABS, w którym kauczuk butadienowy zastąpiono akrylanowym. Kauczuk akrylanowy nie ma wiązań podwójnych podatnych na UV, dlatego ASA zachowuje kolor, połysk i właściwości mechaniczne na zewnątrz i stosuje się je na zewnętrzne części samochodów i meble ogrodowe. Wadą jest trudniejszy druk: skłonność do odkształceń, potrzeba zamkniętej komory i opary styrenu. Według źródeł ASA ma też lepsze niż ABS zachowanie w niskiej temperaturze. Szczegółowe porównanie znajdziesz w artykule PETG czy ASA.
Poliwęglan, TPU i nylon
Poliwęglan wybiera się wtedy, gdy liczy się wysoka temperatura pracy i udarność. Pod wpływem słońca żółknie i w przemyśle chroni się go powłokami, na przykład z tlenkiem cynku, więc wydruk z PC na pełnym słońcu warto pomalować lub przykryć. PC nie należy do materiałów z oferty Fabrix3D; wspominamy o nim dla porównania.
TPU ma bardzo dobrą odporność na ścieranie i ogólnie dobrze znosi warunki atmosferyczne, ale gatunki różnią się między sobą. Odmiany alifatyczne stosuje się tam, gdzie kolor nie może żółknąć, a polieterowe lepiej niż poliestrowe znoszą wodę, mikroorganizmy i niską temperaturę. Do uszczelki lub odboju pracującego na zewnątrz warto więc znać typ TPU, a nie tylko twardość.
Nylon jest wytrzymały i udarny, ale chłonie wilgoć z otoczenia. Na zewnątrz jego sztywność i wymiary zmieniają się z pogodą, co ma znaczenie przy pasowaniach i gwintach.
Druk, mycie i wykończenie powierzchni
Materiał odporny na pogodę bywa trudniejszy w druku. ASA wymaga gorącego stołu, wysokiej temperatury otoczenia i najlepiej zamkniętej komory, bo przy różnicy temperatur między modelem a otoczeniem łatwo się odkształca. Przy druku wydziela opary styrenu, więc potrzebna jest wentylacja. Jest też częściowo higroskopijne, więc szpulę trzeba przechowywać sucho.
Na zewnątrz części się brudzą i są myte. ASA lepiej niż ABS znosi pękanie naprężeniowe w kontakcie z alkoholami i środkami czyszczącymi, co ma znaczenie przy obudowach mytych detergentem. Dodatkową ochronę może dać powłoka blokująca UV, bo wtedy to ona, a nie tworzywo, przyjmuje większość promieniowania; w przemyśle w ten sposób chroni się na przykład poliwęglan. Powłokę trzeba jednak odnawiać, gdy zacznie się łuszczyć.
- Ustal najwyższą temperaturę miejsca pracy, uwzględniając nagrzewanie w słońcu i ciemne otoczenie.
- Oceń, ile godzin dziennie część będzie wystawiona na bezpośrednie słońce.
- Sprawdź, czy woda może stać w części lub wnikać do środka, i czy zimą zamarza.
- Określ obciążenie stałe i chwilowe, na przykład podmuch wiatru lub uderzenie.
Kolor ma znaczenie
Ciemne powierzchnie pochłaniają więcej światła słonecznego niż jasne, więc czarna część w słońcu nagrzewa się mocniej niż biała z tego samego materiału. Przy tworzywach o niskiej odporności cieplnej może to przesądzić o odkształceniu. Jeśli kolor nie jest narzucony, do części blisko granicy odporności cieplnej, na przykład z PETG na nasłonecznionej ścianie, lepiej wybrać jasny odcień. Czarny ma sens raczej przy materiałach z dużym zapasem temperatury.
Z drugiej strony pigmenty wpływają na odporność na UV. Sadza blokuje promieniowanie i chroni tworzywo, wiele pigmentów również pochłania UV, a stabilizatory UV dodaje się zwykle w ilości od 0,05 do 2%. Niektóre barwniki potrafią jednak same przyspieszać degradację. Dlatego ten sam materiał w różnych kolorach może starzeć się inaczej, a o zachowaniu decyduje konkretny produkt, nie tylko nazwa tworzywa.
Jak zaprojektować część do pracy na zewnątrz
- Grubsze ścianki i więcej obrysów. UV niszczy przede wszystkim warstwę wierzchnią, więc gruba ścianka ma zapas materiału, a szczelna powierzchnia słabiej przepuszcza wodę.
- Mocne wypełnienie. Części nośne drukuj z gęstym wypełnieniem, na przykład w opcji wypełnienie wzmocnione. Mniej pustych przestrzeni to mniej miejsca na wodę i lód.
- Odpływ wody. Unikaj kieszeni i zagłębień, w których stoi woda. Dodaj otwory odpływowe w najniższym punkcie i pochyl górne powierzchnie.
- Metalowe mocowania. Śruby, podkładki i wkładki gwintowane ze stali nierdzewnej rozkładają nacisk i nie korodują. Gwint wycięty bezpośrednio w tworzywie szybko się wyrabia.
- Kierunek warstw. Ustaw część tak, żeby główne obciążenie nie rozrywało warstw. Dlaczego to ważne, wyjaśnia artykuł anizotropia wydruków 3D.
- Brak stałego naprężenia. Zatrzaski i wcisk, które przez cały czas pracują pod naciskiem, w cieple tracą siłę trzymania.
Typowe zastosowania i test pierwszej sztuki
Na zewnątrz dobrze sprawdzają się uchwyty i wsporniki, osłony przewodów i złączy, obudowy czujników i kamer, elementy ogrodowe, takie jak zaczepy, prowadnice czy klipsy do siatki, a także drobne części rowerowe i samochodowe poza strefą silnika. Przy każdej z nich warto zacząć od jednej sztuki i sprawdzić ją w docelowym miejscu.