PVA в 3D-печати

Использование PVA в 3D-печати связано с его специфическими физико-химическими свойствами: высокой адгезией к термопластикам, биологической разлагаемостью и нетоксичностью. Однако этот материал также имеет ограничения, включая чувствительность к влаге и сравнительно высокую стоимость. Здесь мы рассмотрим ключевые характеристики PVA, его преимущества и недостатки, а также лучшие практики работы с этим материалом для достижения оптимального качества печати.

История создания

PVA был впервые синтезирован в 1912 году немецким химиком Фрицем Клатте, который запатентовал этот материал в Германии. Однако в то время его промышленное применение было ограничено, и он не получил широкого распространения. Первыми, кто активно занялся его коммерциализацией, стали японские компании в конце 1930-х годов. В частности, Kuraray разработала и начала массовое производство волокон Vinylon и Kuralon, которые нашли применение в текстильной промышленности, строительстве, медицине и других сферах​.

На ранних этапах PVA использовался в основном в виде порошков, волокон и растворов, применяемых для создания водорастворимых пленок, текстильных покрытий и медицинских материалов. Его уникальное свойство — способность растворяться в воде — оказалось крайне полезным в производстве экологически чистых упаковок, медицинских капсул, а также специальных клеев. Кроме того, материал показал себя эффективным при модификации бетона и резины, а также в производстве стеклопластиков с улучшенными ударопрочными характеристиками​.

Хотя технология 3D-печати зародилась еще в 1980-х годах, PVA долгое время не использовался в этой сфере. Причина заключалась в его высокой гигроскопичности (способности впитывать влагу), что делало материал сложным в хранении и использовании. Прорыв в применении PVA для 3D-технологии произошел в 2006 году, с развитием многоматериальной FDM-печати, когда стало возможным печатать детали из двух материалов одновременно. Это позволило использовать PVA в качестве водорастворимого поддерживающего материала для сложных конструкций с нависающими элементами, мостами и внутренними полостями, которые трудно или невозможно печатать без поддержки.

До появления PVA в 3D-печати поддерживающие структуры создавались из того же материала, что и основная модель, например из PLA или ABS. Однако такие поддержки приходилось механически удалять, что приводило к повреждению основной детали, оставлению следов или шероховатостей на поверхности. Использование PVA полностью решило эту проблему: после завершения печати поддержка просто растворяется в воде, не оставляя следов и повреждений​. 

Формы поставки

PVA широко используется в 3D-печати как водорастворимый материал, особенно в качестве поддержек для изделий со сложной геометрией. Он поставляется в нескольких формах, включая филамент, гранулы и порошок, каждая из которых имеет свои области применения.

Филамент

Филамент PVA – наиболее распространённая форма для FDM/FFF 3D-принтеров с двумя экструдерами. Он применяется для создания растворимых поддержек, особенно при печати с PLA, PETG и другими совместимыми полимерами с аналогичными температурами экструзии.

Гранулы

PVA в форме гранул применяется для промышленного литья, экструзии и создания индивидуального филамента в лабораторных и промышленных условиях. Некоторые производители используют гранулированный PVA для смешивания с другими материалами с целью улучшения их растворимости или механических свойств​. Также гранулы нашли широкое применение в создании биоразлагаемых плёнок и упаковочных материалов.

Порошок

Порошковая форма PVA используется в SLS-печати и в научных исследованиях. Например, эксперименты демонстрируют, что порошковый PVA можно смешивать с гидроксиапатитом для получения пористых, биосовместимых структур, способствующих регенерации костной ткани. Однако на данный момент применение чистого PVA в SLS-печати ограничивается исследовательскими задачами, поскольку сам по себе этот материал не оптимален для данной технологии. Возможно, дальнейшие исследования позволят значительно расширить его практическое применение.

Свойства и характеристики PVA

1. Растворимость в воде

Одной из главных особенностей поливинилового спирта является его способность полностью растворяться в воде. Это свойство делает PVA идеальным материалом для опорных конструкций в 3D-печати, поскольку после завершения процесса поддерживающие структуры можно просто погрузить в воду, где они растворятся без необходимости механического удаления, которое может повредить модель. Процесс растворения PVA может занять от нескольких часов до нескольких суток, в зависимости от толщины поддержек и температуры воды​.

2. Биологическая разлагаемость

PVA является экологически чистым материалом, поскольку полностью разлагается в природных условиях, не образуя микропластика и вредных отходов. 

3. Хорошая адгезия

PVA хорошо сцепляется с такими материалами, как PLA, PETG и некоторыми видами нейлона, что делает его удобным в качестве поддерживающего материала для сложных геометрических конструкций. 

4. Хрупкость

Несмотря на свою гибкость в растворенном состоянии, в сухом виде PVA довольно хрупок. При печати он может легко ломаться, особенно при использовании слишком высокой температуры экструзии или при быстром охлаждении​. Это делает материал менее устойчивым к механическим нагрузкам и затрудняет его использование в качестве основного для деталей, подверженных ударам или деформациям.

5. Гигроскопичность

PVA обладает высокой гигроскопичностью, то есть активно поглощает влагу из воздуха. Это свойство требует особых условий хранения – материал необходимо держать в герметичных контейнерах с осушителем, иначе он быстро становится мягким и теряет свои механические свойства.

Сравнение PVA с другими материалами

Преимущества и недостатки материала

Преимущества:

1. Растворимость в воде – ключевая особенность PVA, которая делает его отличным поддерживающим материалом. 

2. Биологическая разлагаемость – материал безопасен для окружающей среды и не требует специальных условий утилизации.

3. Высокая адгезия – PVA хорошо сцепляется с такими материалами, как PLA, PETG и CPE, что делает его универсальным в многоматериальной печати.

4. Нетоксичность – материал не выделяет вредных паров, что делает его безопасным для работы в домашних и образовательных условиях.

5. Гибкость и прочность – PVA обладает достаточной прочностью на разрыв (22 МПа) и становится эластичным при воздействии влаги, что позволяет использовать его для прототипирования и создания временных конструкций.

Недостатки:

1. Чувствительность к влаге – PVA гигроскопичен, поэтому требует герметичного хранения с осушителем. В противном случае он впитывает влагу, что приводит к ухудшению качества печати и возможному засорению сопла.

2. Высокая стоимость – PVA дороже PLA и ABS, что увеличивает себестоимость печати, особенно при использовании большого объема поддерживающего материала.

3. Ограниченная совместимость – плохо работает с материалами, требующими высоких температур экструдирования (например, ABS), так как может разлагаться при температуре выше 200°C.

4. Вероятность засорения сопла – если материал оставить в разогретом сопле без экструдирования, он может загустеть и привести к застреванию пластика.

5. Требует низкой скорости печати – скорость печати PVA рекомендуется удерживать на уровне 30 мм/с, что замедляет процесс печати.

Применение PVA в 3D-печати

Хотя PVA наиболее известен как материал для поддержек в 3D-печати, его свойства открывают множество других применений.

Биомедицинское применение

PVA широко используется для создания биосовместимых структур, например:

• Биодеградируемые имплантаты: PVA применяется для производства рассасывающихся хирургических имплантатов, таких, как сосудистые стенты и носители лекарств​.

• Тканевая инженерия: В комбинации с гидроксиапатитом (HA) PVA используется в 3D-печати биосовместимых пористых матриц, способствующих регенерации костной ткани​.

Формование и литьё

PVA можно использовать в качестве шаблонного материала для создания литейных форм: водорастворимость PVA позволяет печатать сложные формы, которые затем легко удаляются путем растворения, оставляя идеально чистую полость для заливки пластика или композитов.

Гибкие и растворимые упаковочные материалы

PVA может использоваться для изготовления биодеградируемой упаковки. Например, растворимые в воде пленки, аналогичные тем, что применяются в капсулах стирального порошка​.

Моделирование и образовательные проекты

PVA можно применять для:

• Создания временных моделей для образовательных целей: Можно печатать модели, которые затем растворяются для демонстрации внутренних структур.

• Производства декоративных элементов: В сфере дизайна и искусства PVA используется для создания временных форм и моделей​.

Параметры печати для PVA

Температурные параметры

• Температура экструдера: 185–210 °C (старайтесь использовать минимальное приемлемое значение, так как выше 200 °C материал может начать деградировать)​.

• Температура стола: 45–60 °C. Для лучшей адгезии можно использовать верхний предел диапазона​.

• Температура плавления: 160–230 °C, в зависимости от типа PVA.

• Температура деградации: от 200 °C – начинается карбонизация, что может привести к образованию черных пятен на изделии​.

Настройки печати

• Скорость печати: 30 мм/с. При более высокой скорости возможны дефекты из-за хрупкости PVA при экструзии​.

• Ретракт:

• Скорость: 40 мм/с.

• Дистанция: 5 мм.

• Обдув: Обязательно использовать вентилятор охлаждения, но не на полную мощность (рекомендуется 50%).

• Заполнение:

• Для поддержек – 30% плотности.

• Для контактных слоев поддержек – 70–100%​.

• Разделительный зазор между опорами и моделью: 0 слоев – так как PVA полностью растворяется в воде, можно не оставлять зазор​.

Советы по печати 

1. Использование в качестве материала поддержек

• PVA лучше всего работает с PLA, но также возможна печать с PETG, так как у них схожие температуры экструзии​.

• Не рекомендуется с ABS из-за высокой температуры печати. Для ABS лучше подходит HIPS.

2. Минимизация расхода PVA

• Рекомендуется использовать "Dense Supports" – функция в слайсерах (например, Simplify3D), позволяющая печатать PVA только в местах контакта поддержек с моделью, экономя до 90% материала​.

• Функции Ooze shield и wipe wall помогают предотвратить подтекание материала из второй головки​.

Хранение и постобработка PVA

PVA – очень гигроскопичный материал. Если PVA впитает слишком много влаги, он становится мягким и липким. При нагреве в экструдере вода внутри прутка начнет испаряться, образуя пар и пузырьки. Это приводит к неравномерному вытеканию материала, деформациям и ухудшению качества печати. Такой процесс значительно ухудшает качество изделия и может привести к засору в экструдере.

Для предотвращения увлажнения рекомендуется:

• Хранить PVA в герметичных контейнерах с осушителями (например, силикагелем).

• Избегать хранения в помещениях с высокой влажностью.

• При длительном хранении использовать вакуумные пакеты с осушителем.

Оптимальная температура хранения составляет 15-25°C, а влажность должна быть минимальной​.

Сушка перед использованием

Если материал уже поглотил влагу, его можно высушить:

• В дегидраторе для пластика при 45-55°C в течение 4-12 часов.

• В духовке при минимальной температуре (50-60°C в течение 8-12 часов)​.

• На подогреваемом столе принтера при 50-55°C в течение нескольких часов​.

После сушки материал необходимо сразу поместить в герметичный контейнер.

Постобработка

1. Растворение поддержек

• Поместить напечатанную деталь в теплую воду.

• Время растворения – от нескольких часов до нескольких суток (зависит от объема материала).

• Для ускорения процесса рекомендуется использовать теплую воду и циркуляцию жидкости​.

2. Удаление остатков

• После полного растворения PVA деталь нужно промыть водой для удаления остатков.

3. Безопасность и экологичность

• PVA нетоксичен и биоразлагаем. Растворенный в воде PVA можно сливать в канализацию​.

• Не образует микропластик, а разлагается на безвредные компоненты​.

Производители и цены

PVA-филамент широко доступен на рынке в диаметрах 1,75 мм и 2,85 мм. Перед покупкой необходимо убедиться, что толщина филамента соответствует экструдеру вашего 3D-принтера.

Производители PVA-филамента

Среди производителей PVA-филамента можно выделить несколько крупных компаний:

• SUNLU – китайский производитель, специализирующийся на разработке и производстве высококачественных филаментов и фотополимерных смол для профессиональной и промышленной 3D-печати.

• Bestfilament – российский бренд с широкой линейкой филаментов. Производит PVA с хорошей растворимостью и высокой адгезией.

• REC – известный российский производитель материалов для 3D-печати также предлагает различные варианты PVA в среднем ценовом диапазоне.

Стоимость PVA-филамента варьируется в зависимости от производителя и качества:

• Средняя цена – около 6000₽ за 0,5 кг.

• Бюджетные варианты – от 4000₽ за 0,5 кг.

• Премиум-сегмент – до 12000₽ за 0,75 кг.

Заключение

PVA остается одним из самых востребованных поддерживающих материалов благодаря своей водорастворимости и экологической безопасности. Его способность полностью растворяться в воде упрощает процесс постобработки, предотвращая повреждение деталей при удалении поддержек. Высокая адгезия к PLA, PETG и другим материалам с аналогичными температурами печати делает его удобным выбором для многоматериальной печати.

Тем не менее PVA имеет ряд ограничений, включая высокую гигроскопичность, что требует особых условий хранения. Высокая стоимость материала по сравнению с альтернативными поддерживающими материалами, такими как HIPS, также ограничивает его применение в массовом производстве.

Несмотря на эти недостатки, PVA остается одним из самых удобных и экологически безопасных поддерживающих материалов. Его биодеградируемость и отсутствие токсичных испарений делают материал привлекательным как для профессионального использования, так и для образовательных целей. С дальнейшими исследованиями в области улучшения термостойкости и снижения гигроскопичности PVA может занять еще более значимое место в сфере аддитивного производства.

Если у вас остались вопросы или вы хотите проконсультироваться, связаться с нами можно любым удобным способом:

по телефону +7 (800) 333-07-58 

отправив запрос на info@3dvision.su

заполнив форму заявки на сайте

Реклама. OOO "3Д Вижн". ИНН: 7802253640