О сушке

Cушка полимеров - процесс комплексный и на него влияет очень много факторов.

Надо понимать, что пруток у нас может влагу набирать несколькими путями. Влага может физически сорбироваться на поверхности прутка, либо в его порах и микротрещинах - так могут до определенной степени набирать влагу композиты даже на основе негигроскопичных материалов. А еще на этом основана разница в скорости, с которой набирает влагу PETG разных производителей - это очень капризный в производстве пруток и нарушения в технологическом процессе добавляют структурных дефектов. Но куда более важно, что влага может химически сорбироваться самим полимером, как в случае с гигроскопичными материалами типа полиамидов (нейлонов), и там механизмы уже очень и очень непростые. В детали этих механизмов вдаваться не будем, чтобы не раздувать статью. Кому интересно - можете погуглить учебники о полимерах и построении полимерных машин. После беглого ознакомления с литературой по данному вопросу, можно сказать, что процесс сушки зависит от нескольких ключевых факторов: разницы в относительной влажности, температуры полимера и конвекции воздуха.

С относительной влажностью, или даже скорее с разницей парциального давления водяных паров в материале и в окружающей среде, все довольно понятно. Базово нам надо, чтоб влажность окружающей атмосферы была ниже влажности пластика. Создающийся в этом случае градиент концентрации водяных паров заставляет мигрировать молекулы воды из глубины на поверхность полимера и дальше испаряться в атмосферу. В принципе, самого этого факта достаточно, чтобы пластик начал сушиться. Поэтому, собственно, в какой-то степени работают сушилки на элементах Пельтье, которые по сути вымораживают влагу из воздуха. И даже если просто закинуть достаточно сырой пластик в коробку с силикагелем, то он подсушится (до определенного предела), особенно если речь про физсорбированную влагу.

Другое дело, что без нагрева процесс будет весьма неэффективен, особенно в случае гигроскопичных материалов, где молекулы воды химически связываются с полимерными цепочками. Грубо говоря, повышение температуры нам дает сразу 2 преимущества. Во-первых, повышается подвижность молекул воды и полимерных цепочек. Молекулы воды приобретают дополнительную энергию, что позволяет им с большей вероятностью преодолеть энергию химической связи и оторваться от полимерной цепочки. Кроме того температура влияет на относительную влажность, увеличивая градиент концентрации паров между материалом и атмосферой и заставляя молекулы воды более активно мигрировать из глубины на поверхность полимера, где они успешно испаряются. Однако без конвекции процесс испарения с поверхности существенно затрудняется, и особенно это касается более глубоких слоев материала, который мы хотим просушить - в нашем случае, внутренних витков на катушке. К тому же, если у нас сушка происходит в замкнутом объеме, то испарение воды из пластика будет повышать влажность в атмосфере, постепенно замедляя процесс сушки, пока он не прекратится совсем. То есть опять же, чисто нагревом можно просушить пластик только до определенной степени, да и то не весь. При этом надо понимать, что нагрев пластика в процессе сушки - отнюдь не безвредная процедура, поскольку повышение температуры приводит к ускоренному старению и деградации полимера, в частности, в процессе гидролиза - разрушения полимерных цепочек в реакции с молекулами воды. И пока мы сушим наружные витки катушки простым нагревом, влага от внутренних витков практически не отводится, и они дружно подвергаются ускоренному гидролизу. За пару-тройку сушек разница будет не заметна, скорее всего, но вот десяток циклов в таком режиме - и какой-нибудь PLA в глубине катушки станет хрупким настолько, что будет ломаться в руках.

Тут у нас как раз вступает в игру конвекционная составляющая сушки, а именно обдув горячим воздухом. Первое - потоки воздуха быстрее уносят уже испарившуюся влагу из приповерхностного слоя вокруг прутка и в некоторой степени продувают моток филамента, тем самым ускоряя испарение и существенно повышая эффективность сушки, особенно для внутренних витков. Второе - нагнетая новые порции воздуха в сушилку, мы вытесняем старый уже увлажнившийся воздух и сохраняем низкую относительную влажность в сушилке. Безусловно, атмосферный воздух, который мы подаем в сушилку, имеет какую-то начальную влажность, и пары воды из него при попадании в сушилку никуда не деваются. Так что у нас все равно есть предел, ниже которого мы относительную влажность не опустим и пруток не просушим. Поэтому в промышленных установках для сушки, например, полимерной гранулы перед литьем идут еще дальше - там предварительно осушают воздух перед нагревом и подачей в сушильную камеру. Более того, реальные установки могут быть устроены довольно сложно, с многостадийной или циклической сушкой, с манипулированием температурой и точкой росы по определенным алгоритмам и т.д. Но в любом случае так или иначе обеспечивается конвекция атмосферы вокруг просушиваемого полимера.

Часто в сообществах задают вопрос "Хороша ли эта сушилка?", показывая сушилки с АлиЭкспресс. Среди них одной из наиболее "признанных" сообществом готовых китайских сушилок считается Sunlu S2 (новой ревизии, с небольшим вентилятором внутри). И не зря. Исходя из вышесказанного, эта сушилка может сушить пластик. Скорее всего, большую часть влаги из верхних витков прутка она удалит вполне эффективно, и этого будет достаточно, чтобы увидеть разницу на печати - в конце концов, именно эти наружные витки и идут первым делом в экструдер, да и для нормальной печати пруток не должен быть идеально сухим, даже в промышленности стандарты предполагают некий допустимый (а иногда - необходимый) процент содержания влаги в различных полимерах. Другое дело, что без хорошего активного обдува пока мы будем печатать внешними сухими витками, пруток в глубине катушки будет зазря "вариться в собственном соку".

Что касается "вентиляции", то в абсолютно герметичной сушилке атмосфера рано или поздно насытится парами воды и эффективность сушки сойдёт на нет. Правда, сомнительно, что показанная в видео сушилка совсем уж герметична, так что излишняя влага из нее все таки будет улетать, хотя бы за счёт той же разницы в относительной влажности с атмосферой. Поэтому не думаю, что дополнительная вентиляция сильно необходима, а вот замена вентилятора, обеспечивающего конвекцию, на более мощный, может иметь смысл, если родной слишком слабый.

Так что конструкция сушилки именно с хорошим обдувом/перемешиванием горячего воздуха будет сушить быстрее, эффективнее и безопаснее для пластика, который в конечном итоге будет более сухим при максимальном сохранении изначальных свойств полимера.

Данная статья - это адаптированный вариант ответа Виктора Шаповалова (за что ему огромная благодарность) на вопрос подписчика касательно сушки филамента вообще и сушилки Sunlu S2 в частности. За консультацию в процессе подготовки данного материала большое спасибо Антону Советову (3d-club.ru) и Андрею "Kekht" Королёву (также за адаптацию).