Пластики для 3D печати устойчивые к погодным условиям и предназначенные для использования на открытом воздухе

Модель напечатанная на 3D принтере, которая хорошо смотрится на полке дома, может разочаровать уже через несколько недель на открытом воздухе: цвет станет менее насыщеным и тусклым, края станут хрупкими, появятся первые трещины. Причина этому, почти всегда кроется в материале. Стандартный PLA пластик достаточно дешевый и простой в печати, но у него есть один большой недостаток - он плохо справляется с ультрафиолетовым излучением, влагой и перепадами температуры. При использовании на улице, он становится хрупким, теряет форму или обесцвечивается.


Филаменты, предназначенные для использования на открытом воздухе, такие как ASA, PETG, PC или нейлон (Nylon), особенно хорошо подходят для наружного применения, благодаря своим свойствам. Они обладают высокой устойчивостью к УФ-излучению, атмосферным воздействиям и механической прочностью, что крайне важно для обеспечения стабильности и эстетической привлекательности напечатанного изделия, даже после многих месяцев пребывания на открытом воздухе!

Что печатают из пластиков выдерживающих уличную среду?

Обзор материалов: преимущества и недоставтки

ASA (акриловый спирт) считается классическим материалом для печати уличных моделей и обычно является предпочтительным выбором, когда приоритетом является устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Это обусловлено структурой материала: вместо чувствительной к УФ-излучению бутадиеновой резиновой фазы, присутствующей в ABS пластике, ASA содержит полиакриловую резиновую фазу, которая по своей природе гораздо более стабильна под воздействием УФ-излучения. Именно поэтому ASA изначально был разработан для автомобильной промышленности, где компоненты, предназначенные для наружного применения, должны выдерживать воздействие окружающей среды в течение 5-10 лет.

Подробное описание характеристик при использовании на открытом воздухе: на практике, принты из ASA, подвергавшиеся воздействию прямых солнечных лучей в течение нескольких лет, демонстрируют лишь минимальные изменения цвета и структуры. В отличие от ABS, на поверхности отсутствует эффект «меления», поскольку акрилатная резиновая фаза не подвергается такому же окислительному расщеплению цепи, как полибутадиен в ABS.







ASA пластик идеально подходит для печати садовых фигурок, табличек с номером домов, различных ручек, корпусов техники, мебели и декоративных элементов, которые постоянно подвергаются воздействию прямых солнечных лучей и должны долго сохранять свой цвет и форму.





PETG пластиком намного проще печатать, чем ASA, и при этом он обладает хорошими свойствами и прочностными характеристиками, но у него есть одно важное ограничение или недостаток, который часто неправильно понимают: существует много информации что PETG является «подходящим для использования на открытом воздухе», но при этом он обладает лишь ограниченной устойчивостью к УФ-излучению. Эфирные связи PET легко подвергаются воздействию УФ-излучения (разрыв цепи), что со временем может привести к пожелтению принта, его потускнению или потере прочности на разрыв и удлинения при разрыве.

Подробное описание характеристик при использовании на открытом воздухе: Практические наблюдения показывают, что первые признаки пожелтения прозрачных или светлых вариантов PETG, часто становятся заметны через 3 – 6 месяцев при интенсивном солнечном свете, а заметное потускнение  поверхности (непрозрачность пластика) могут появиться через 6–18 месяцев.

Темные, непрозрачные цвета заметно замедляют этот эффект, поскольку в материал проникает меньше УФ-излучения.









Для чего лучше всего подходит: печати опор для растений, принадлежностей для орошения, ручек (использование в полутени), различных деталей, подверженных сильному контакту с влагой, но умеренному прямому контакту с солнечным светом, или в качестве экономичного прототипа с дополнительным защитным УФ-покрытием.





Поликарбонат — правильный выбор, когда устойчивость к атмосферным воздействиям менее важна, чем механическая прочность, ударопрочность и термостойкость. По устойчивости к УФ-излучению поликарбонат находится между PETG и ASA.

Подробное описание характеристик при использовании на открытом воздухе:  чистый поликарбонат обладает высокой проницаемостью для УФ-излучения и начинает заметно желтеть примерно через 2–4 месяца при интенсивном солнечном свете, и через 1–2 года при умеренном солнечном свете. Варианты поликарбоната, стабилизированные УФ-излучением (с поглотителями HALS или бензотриазолом), значительно замедляют этот процесс – в зависимости от состава, до 12–18 месяцев при интенсивном УФ-излучении или 4–5 лет при умеренном УФ-излучении. Поэтому для длительного использования на открытом воздухе следует отдавать предпочтение поликарбонату, стабилизированному УФ-излучением, а не чистому поликарбонату.






Для чего лучше всего подходит: сильно нагруженных механически наружных компонентов, таких как ручки для тяжелых предметов, корпуса солнечных батарей, держатели инструментов или детали, которые должны одновременно выдерживать удары и высокие температуры; при условии выбора варианта, стабилизированного УФ-излучением.





Nylon (полиамид, чаще всего PA6 или PA12) в основном используется для деталей, подверженных высоким механическим нагрузкам. Стоит отметить: стандартный нейлон без УФ-стабилизатора непригоден для длительного использования на открытом воздухе: он желтеет, становится хрупким и теряет прочность при воздействии УФ-излучения. Поэтому в проектах для использования на открытом воздухе целесообразно выбирать нейлон с УФ-стабилизаторами, модифицированный для этой цели специальными добавками.

Как ведет себя при использовании на открытом воздухе: Самая большая проблема для нейлона на открытом воздухе — это не только УФ-излучение, но и само поглощение влаги: поглощенная вода действует как пластификатор между полимерными цепями и заметно изменяет механические свойства. Испытания показывают, что обработанный влагой PA6 иногда теряет до одной трети своей первоначальной жесткости в сухом состоянии. PA12 значительно менее подвержен этому и, следовательно, обеспечивает лучшую основу для влажной среды на открытом воздухе. Для настоящего использования на открытом воздухе требуются дополнительные УФ-стабилизаторы для защиты от фотохимического пожелтения и охрупчивания. Чистый, нестабилизированный нейлон любого вида для этой цели не подходит.






Для чего лучше всего подходит: для подвижных или сильно механически нагруженных наружных частей, таких как петли, шестерни, ролики, компоненты инструментов или запасные части для садовой техники – с использованием УФ-стабилизированного состава и предпочтительно на основе PA12 в случае воздействия высокой влажности.

Что происходит с пластиком под воздействием ультрафиолетового излучения

Чтобы понять, почему одни волокна служат на открытом воздухе годами, а другие разрушаются через несколько недель, необходимо изучить химические процессы, происходящие внутри самого материала.



Солнечный свет содержит ультрафиолетовое излучение с достаточной энергией, чтобы разорвать химические связи в молекулах пластика. Определенные группы молекул в полимерной цепи, известные как хромофоры, особенно легко поглощают эту ультрафиолетовую энергию. Это приводит к образованию свободных радикалов, которые реагируют с кислородом в воздухе, буквально разрывая полимерные цепи (расщепление цепи) или бесконтрольно сшивая их.

Последствия для поверхности включают изменение цвета (обычно пожелтение), потерю эластичности и микротрещины. Этот процесс в материаловении называется фотоокислением и является основной причиной атмосферных повреждений практически всех стандартных пластмасс.




ABS и ASA химически очень похожи, но различаются именно в этом ключевом аспекте: ABS содержит фазу полибутадиенового каучука, которая особенно подвержена фотоокислению, и именно здесь почти всегда начинается разложение. В ASA этот компонент заменен фазой полиакрилового каучука, которая по своей природе гораздо более стабильна под воздействием УФ-излучения. Именно поэтому ASA изначально разрабатывался для автомобильной промышленности, где внешние компоненты должны выдерживать воздействие погодных условий в течение 5-10 лет.

Стандартизированные испытания на старение, такие как ISO 4892 и ASTM G154, неизменно подтверждают это: ASA сохраняет свои механические свойства и цвет значительно дольше, чем ABS, PETG или PLA.




У PLA есть два критических момента: сложноэфирные связи в полимере подвергаются воздействию как фотоокисления, вызванного УФ-излучением, так и гидролиза (деградации под воздействием поглощенной влаги). Эффект самоподдержания особенно коварен: по мере того, как поверхность становится более пористой из-за деградации, она поглощает еще больше влаги, еще больше ускоряя процесс деградации.

Без встроенных УФ-стабилизаторов это объясняет, почему чистые отпечатки из PLA на открытом воздухе часто заметно темнеют в течение нескольких недель и становятся хрупкими через несколько месяцев.




В волокнах с добавками (например, нейлоном или УФ-стабилизированным поликарбонатом) чаще всего содержатся так называемые HALS (стерически затрудненные аминные светостабилизаторы) или УФ-поглотители. HALS захватывают свободные радикалы, образующиеся в процессе фотоокисления, прежде чем они смогут дополнительно повредить полимерную цепь, и при этом практически не истощаются химически: они действуют как постоянно активный защитный механизм.

УФ-поглотители работают иначе: они сами поглощают УФ-излучение и преобразуют его в безвредное тепло еще до того, как оно вступит в реакцию с полимерной цепью.




Нейлон обладает высокой гигроскопичностью, то есть он поглощает влагу непосредственно из воздуха. Эти внедренные молекулы воды действуют как пластификатор между полимерными цепями, что изменяет механические свойства и усугубляет проблему воздействия УФ-излучения. В случае с ПЭТГ поглощение влаги ниже, но без УФ-добавок именно УФ-стойкость остается слабым местом, а не сама влага.

Почему защитный слой на самом деле защищает внутреннюю часть автомобиля?

Научно интересный факт: во многих пластмассах воздействие УФ-излучения первоначально создает тонкий, разрушенный поверхностный слой, который блокирует доступ кислорода и УФ-излучения к нижележащему материалу. Защитные лаки и пропиточные составы специально используют этот принцип: они наносят искусственно стабильный барьерный слой до того, как начнется воздействие на сам нижележащий материал, тем самым значительно замедляя начало фотоокисления внутри компонента.

Правильная постобработка моделей для использования на улице

Даже самые лучшие нити для наружной печати нуждаются в надлежащей обработке, особенно если изделия будут оставаться на открытом воздухе в течение многих лет. Чтобы убедиться, что ваши намерения не ограничиваются благими намерениями, вот пошаговое руководство по оптимальному порядку действий:



Перед любой постобработкой отпечаток должен быть очищен от пыли и жира. В идеале, его следует протереть изопропанолом, чтобы удалить отпечатки пальцев, остатки разделительного состава и мелкую пыль, которая может ухудшить адгезию лака или пропиточного вещества.



Если объект был напечатан из нескольких частей и склеен, то клеевые швы и большие зазоры следует сначала заделать шпаклевкой. После высыхания слегка отшлифовать (например, наждачной бумагой зернистостью 320-400), чтобы обеспечить гладкую поверхность. Это важно, поскольку в противном случае влага будет скапливаться и проникать именно в эти места.



Если изделие не было напечатано со 100% заполнением (что характерно для большинства изделий для наружного применения из-за ограничений по времени и материалам), стоит нанести герметик перед лакированием. Тонкий герметик, такой как DIAMANT Polymer dichtol AM UV Protection, проникает в мельчайшие поры и переходы между слоями печати, герметизируя их изнутри и обеспечивая дополнительную защиту от УФ-излучения. Многие пропускают этот шаг, и тем не менее, при заполнении менее 100% он часто важнее, чем лакирование верхнего слоя.



После высыхания пропитки наносится грунтовка. Она обеспечивает ровную поверхность для нанесения краски и дополнительно защищает слои печати от внешних воздействий. Аэрозольная грунтовка позволяет наносить грунтовку равномерно и тонким слоем. Важно: наносите несколько тонких слоев вместо одного толстого, с достаточным временем высыхания между ними; в противном случае грунтовка может образовать полосы или растворить нить (особенно это касается PETG и PLA).



Теперь любой, кто хочет добавить цвет объекту, использует соответствующую краску — либо из баллончика, либо кистью, в зависимости от желаемого эффекта и уровня детализации.



В завершение наносится прозрачное покрытие, устойчивое к ультрафиолетовому излучению (глянцевое, полуглянцевое или матовое, в зависимости от желаемого результата). Этот заключительный слой фактически защищает цвет от выцветания; без него даже самое красивое лакокрасочное покрытие со временем потускнеет, независимо от материала основы.

Всегда работайте в сухую погоду и при умеренных температурах (примерно 15–25 °C), иначе лак и пропиточное вещество высохнут неравномерно.

Предусмотрите достаточное время для просушки между слоями (следуйте инструкциям производителя, обычно не менее 30–60 минут, для толстых слоев – дольше).

При работе с ПЭТГ и ПЛА следует проявлять осторожность с аэрозолями, содержащими растворители; незаметный тест в закрытом помещении покажет, если материал подвергается воздействию.

Проверяйте защитный слой каждые 1-2 года и проводите его обновление при первых признаках износа, а не ждите, пока повредится сам базовый материал.

Заключение

Не существует единственного идеального материала для наружного применения, правильный выбор зависит от области применения: ASA лучше выбрать для зон с интенсивным УФ-излучением, PETG для оптимального баланса между легкостью и влагозащитой, PC для максимальной механической прочности и нейлон для прочных деталей, подвергающихся интенсивной эксплуатации. При правильной обработке — прозрачным УФ-лаком, пропиткой или грунтовкой — вы можете максимально продлить срок службы каждого из этих материалов на открытом воздухе!

Что меняется: классическое правило «ASA — подходит для улицы, PETG / PC / Nylon— скорее всего, нет» - становится все более изменчивым. Все больше производителей сейчас выпускают специально модифицированные, УФ-стабилизированные варианты материалов, которые ранее считались совершенно непригодными для использования на открытом воздухе:

УФ-стабилизированный ПЭТГ со специальным пакетом УФ-добавок теперь доступен в качестве самостоятельного материала с сертификатом УФ-стойкости – это явное отличие от стандартного ПЭТГ, который без таких добавок со временем желтеет, как описано в сравнении материалов.

Варианты ASA, армированные стекловолокном и углеродным волокном (ASA-GF/CF), сочетают в себе устойчивость ASA к ультрафиолетовому излучению с более высокой жесткостью и меньшей деформацией.

Легкий (вспененный) ASA (LW-ASA) вспенивается в процессе печати, что снижает вес и расход материала при сохранении стабильной устойчивости к УФ-излучению.

УФ-стабилизированные марки поликарбоната и нейлона с добавками HALS или бензотриазола все чаще заполняют пробел, который ранее мог быть заполнен только ASA.

Какой в итоге материал лучше выбрать: сам класс материала («PETG», «Nylon) сегодня менее информативен, чем раньше; конкретный продукт и его паспорт безопасности становятся решающими.

PETG с маркировкой «устойчивый к УФ-излучению» уже может быть так же хорош, как стандартный ASA в некоторых областях применения, в то время как недорогой «ASA без спецификаций производителя» не обязательно превосходит высококачественный PETG с добавками.

Наш совет: при работе на открытом воздухе обращайте внимание не только на само название материала, но и на дополнительную информацию, такую ​​как «устойчивость к УФ-излучению», «протестирован на устойчивость к атмосферным воздействиям» или соответствующие ссылки на стандарты (например, ASTM G154, ISO 4892). Это дает более надежную информацию, чем просто название материала.