Obróbka termiczna to techniki obróbki końcowej powszechnie stosowane w celu zmiany właściwości materiału, zarówno pod względem fizycznym, jak i chemicznym.
Wygrzewanie jest jedną z takich obróbek i być może słyszałeś o nim w kontekście druku 3D. Mówi się, że sprawia ono, że drukowane części 3D działają lepiej, ale jak dokładnie działa ten proces i co można osiągnąć w przypadku PLA?
Czym jest wygrzewanie?
Wygrzewanie to obróbka termiczna stosowana w celu zwiększenia plastyczności metali i uczynienia części bardziej podatnymi na kształtowanie. Odbywa się to poprzez podgrzewanie materiałów do temperatury niższej niż temperatura topnienia, ale wyższej niż temperatura rekrystalizacji.
Gdy metale są odlewane lub formowane, drobne struktury krystaliczne znane jako “ziarna” tworzą mikrostrukturę materiału. Im mniejsze ziarna, tym twardszy i bardziej kruchy materiał. Większe ziarna zmniejszają twardość i zwiększają plastyczność, dzięki czemu są łatwiejsze w obróbce.
Proces wygrzewania metali polega na podgrzaniu materiału do temperatury, która umożliwia rekrystalizację ziaren i zwiększenie ich rozmiaru. Im dłużej materiał pozostaje w tej temperaturze, tym bardziej zmienia swoją strukturę.
Wygrzewanie tworzyw sztucznych i druk 3D
Chociaż wygrzewanie odnosi się głównie do metali, podobny proces jest również stosowany w przypadku tworzyw sztucznych w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych w częściach formowanych wtryskowo. Odbywa się to poprzez podgrzanie części z tworzywa sztucznego poniżej ich temperatury topnienia, aby umożliwić rozluźnienie i reorganizację materiału.
W przypadku druku 3D sytuacja wygląda jednak nieco inaczej. Tworzywa sztuczne mogą mieć mikrostrukturę od amorficznej (całkowicie nieuporządkowanej) do wysoce krystalicznej. To właśnie struktury krystaliczne mają lepsze właściwości mechaniczne. Materiały semikrystaliczne, takie jak PLA lub PETG, zawierają zarówno obszary amorficzne, jak i krystaliczne, choć ich stosunek zależy od ich historii termicznej.
Szybkie nagrzewanie i chłodzenie materiału w procesie drukowania 3D zwiększa frakcję amorficzną. Wygrzewanie wydrukowanych części 3D pozwala im na zmianę układu łańcuchów molekularnych i wzrost obszarów krystalicznych. Podobnie jak w przypadku wygrzewania metali, daje to twardsze właściwości mechaniczne. Nieznaczne topnienie, które występuje podczas wygrzewania, umożliwia łączenie warstw, eliminując słabe punkty z drukowanych części.
Wygrzewanie PLA
PLA to jeden z najpopularniejszych materiałów do druku 3D. Jest dość łatwy w druku i oferuje dobrą wytrzymałość mechaniczną, nawet jeśli jest nieco kruchy. Ma jednak stosunkowo niską temperaturę topnienia w porównaniu do innych materiałów do druku 3D.
Te cechy sprawiają, że PLA jest idealnym kandydatem do wygrzewania. W rzeczywistości kilka badań faktycznie wykazało poprawę właściwości mechanicznych PLA po wygrzewaniu.
Jeśli chodzi o wytrzymałość materiału, testy pokazują, że wygrzane części z PLA zyskują od 10 do 20% wytrzymałości i są ogólnie mniej kruche. Jeśli chodzi o odporność na temperaturę, wygrzany PLA również wykazuje dobre wyniki w porównaniu z innymi materiałami do druku 3D.
Kompromis
Główną wadą wygrzewania PLA jest zmiana wymiarów. Testy z różnymi temperaturami pokazują, że PLA ulega znacznym zmianom nawet w niższych temperaturach, takich jak 70 °C, a wyższe temperatury (110-170 °C) powodują wypaczenie lub nawet całkowite stopienie.
W ostatecznym rozrachunku wygrzewanie wydrukowanego w 3D PLA jest więc kompromisem pomiędzy lepszymi właściwościami materiału a dokładnością wymiarów lub kształtu. Jeśli korzyści przeważają nad stratami, warto zapoznać się ze wskazówkami, jak to zrobić.
Ogólne wskazówki
W następnych sekcjach omówimy kilka procedur wygrzewania PLA bez użycia sprzętu klasy przemysłowej. Ale zanim to nastąpi, mamy kilka cennych wskazówek dotyczących wygrzewania, które są niezależne od wybranej metody.
- Używaj części wydrukowanych ze 100% wypełnieniem: Im gęstsze części, tym bardziej będą odporne na wypaczenia i zmiany wymiarów. Chociaż drukowanie ze 100% wypełnieniem jest nietypowe, zdecydowanie opłaci się to podczas wygrzewania PLA.
- Upewnij się, że części są tak czyste, jak to tylko możliwe: Usuń wszelkie nitki, zanieczyszczenia z krawędzi i podpór oraz resztki kleju z części przed wygrzewaniem.
- Używaj dedykowanego termometru do piekarnika: Mimo że wiele nowoczesnych piekarników ma wbudowane termometry, mogą one być dość niedokładne. W przypadku pieczenia w 5 lub nawet 10°C może nie być tak ważne, ale każdy stopień liczy się podczas wygrzewania części z tworzyw sztucznych, szczególnie w przypadku materiałów wrażliwych na temperaturę, takich jak PLA.
- Należy pozwolić, aby w piecu wytworzyła się jednolita temperatura: Gdy piekarnik osiągnie pożądaną temperaturę, odczekaj co najmniej 30 minut przed włożeniem części.
- Przygotuj się na niedokładności wymiarowe: Nawet jeśli się powiedzie, wygrzewanie PLA może zniekształcić, zdeformować lub przynajmniej zmienić ogólne wymiary części, więc należy być tego świadomym.
- Jeśli to możliwe, używaj piekarnika elektrycznego: Chociaż możesz użyć piekarnika gazowego, pamiętaj, że są one mniej dokładne i znane z przekraczania temperatury podczas nagrzewania. Jeśli dostępny jest tylko piekarnik gazowy, użycie termometru jest koniecznością.
Idealne temperatury wygrzewania dla PLA mogą się różnić w zależności od marki filamentu. Ogólnie rzecz biorąc, PLA ma temperaturę zeszklenia 60-65 °C i temperaturę topnienia około 180 °C. Spróbuj więc zacząć od około 60 ° C podczas pierwszej próby. Jeśli część będzie wyglądać niezmiennie, zwiększ temperaturę docelową o 5°C, aż do uzyskania pożądanych rezultatów.
METODY
Poniżej omówimy dwie wypróbowane i prawdziwe metody, a także jedną, która jest omawiana w społeczności, ale nie przynosi najbardziej spójnych wyników.
Wspierany
Pierwsza i najdokładniejsza metoda wymaga pewnej ilości piasku, aby zapewnić równomierne rozprowadzenie ciepła na wszystkich powierzchniach części. Części zakopane w piasku korzystają również z pewnego wsparcia mechanicznego, aby zapobiec znacznym odkształceniom fizycznym.
Jeśli nie masz pod ręką piasku, możesz również wypróbować to samo podejście przy użyciu soli. Najlepiej jest użyć drobno zmielonej soli, w przeciwnym razie duże kryształy soli mogą pozostawić wyżłobienia na powierzchni części. Aby uzyskać najlepsze rezultaty, należy ją mocno upakować.
W tej procedurze ustawimy temperaturę w pobliżu temperatury zeszklenia, aby zminimalizować zniekształcenia. Zaleca się rozpoczęcie od niższej temperatury i, jeśli się powiedzie, zwiększenie jej dla innych partii części.
- Rozgrzej piekarnik do 60°C, a następnie odczekaj co najmniej 30 minut.
- Podczas gdy piekarnik się nagrzewa, weź pojemnik który jest wystarczająco duży i głęboki, aby pomieścić części i wypełnij go piaskiem. Zasyp swoje części w całości i pozostaw co najmniej 5 mm przestrzeni między każdą częścią a krawędziami i dnem pojemnika.
- Umieść pojemnik z piaskiem i częściami w piekarniku, a następnie pozostaw go tam na godzinę.
- Po upływie tego czasu wyjmij pojemnik i pozostaw go do ostygnięcia w temperaturze pokojowej bez wyjmowania części z piasku.
Gdy wszystko ostygnie, możesz wyjąć wygrzane części z pojemnika.
Szybki
Zamiast metody piaskowej lub solnej, można spróbować wygrzewania części bezpośrednio w rozgrzanym (ale wyłączonym) piekarniku. Jest to świetna metoda, jeśli posiadasz piekarnik gazowy, który nie jest w stanie utrzymać stałej temperatury. Ponieważ nie ma tu piasku, wystarczy umieścić części w dowolnym pojemniku nadającym się do piekarnika.
Części są tutaj chłodzone wewnątrz piekarnika zamiast na zewnątrz. Ponieważ części będą znajdować się powyżej temperatury zeszklenia tylko przez krótki czas, możesz nie być w stanie osiągnąć tak pełnego wygrzania, jak w przypadku pierwszej metody. Niemniej jednak, stopniowe schładzanie z wysokich temperatur pozwoli uniknąć powstawania naprężeń wewnętrznych i ograniczy wypaczenia.
- Rozgrzej piekarnik do 60°C, a następnie utrzymuj tę temperaturę przez co najmniej 30 minut.
- Umieść wydrukowane części 3D na powierzchni bezpiecznej dla piekarnika i włóż je do środka. Natychmiast wyłącz piekarnik i wszystkie znajdujące się w nim elementy grzewcze.
- Pozostaw wydruki w piekarniku, aż ostygną.
Bonus: Woda
Jeśli piekarniki nie wchodzą w grę, dostępna jest jeszcze jedna metoda, choć jest ona daleka od ideału. Zamiast dostarczać ciepło bezpośrednio do części, są one zanurzane w gorącej wodzie. Chociaż procedura ta powinna działać w teorii, wyniki nie są spójne, a bardzo niewiele przykładów jej faktycznego działania można znaleźć w Internecie.
Pomysł polega na umieszczeniu wydrukowanych w 3D części w szczelnej plastikowej torbie, najlepiej uszczelnionej próżniowo, i trzymaniu jej pod wodą w celu wygrzania. Na początku może się to wydawać dobrym pomysłem, ale kontrolowanie temperatury wody jest trudne.
Urządzenia do powolnego gotowania, takie jak maszyny sous vide, doskonale nadają się do utrzymywania wody w odpowiedniej temperaturze i mogą być warte wypróbowania.
Żródło: https://all3dp.com
