Zwiększanie wytrzymałości wydruków z PLA

Co to jest i jak to działa?

Informacje ogólne

Czym jest wyżarzanie? Odnosząc się do metali, jest to proces w którym ogrzewasz materiał, aby uczynić go mniej kruchym i bardziej elastycznym. Aby ta fizyczna zmiana nastąpiła, należy podgrzać materiał do temperatury niższej niż temperatura topnienia, ale wyższej niż temperatura rekrystalizacji. Trzeba utrzymać tę temperaturę przez jakiś czas, a następnie pozwolić jej naturalnie ostygnąć.

Pytanie brzmi: dlaczego mielibyśmy to robić? Cóż, kiedy metale są odlewane lub formowane, w metalu tworzą się maleńkie struktury krystaliczne, zwane „ziarnami”. Jeśli metal jest szybko schładzany po odlaniu, ziarna te mają tendencję zmniejszania, co czyni metal twardym, ale kruchym. Tego rodzaju metale pękają pod wpływem naprężeń, wzdłuż linii połączeń pomiędzy poszczególnymi ziarnami.

Wyżarzanie metali polega na ponownym podgrzaniu metalu do temperatury poniżej temperatury topnienia i powolnym schładzaniu. Powoduje to powstawanie większych kryształów z pierwotnych małych – większe kryształy sprawiają, że metal jest bardziej miękki i plastyczny.

Wyżarzanie tworzyw sztucznych

Chociaż definicja ta odnosi się głównie do metali, podobny proces może być również stosowany w przypadku tworzyw sztucznych. Technologia wyżarzania tworzyw sztucznych nie jest nowa. Jest ona stosowana od dziesięcioleci w produkcji przedmiotów z tworzyw sztucznych formowanych wtryskowo. Wyżarzanie jest wykorzystywane do redukcji wewnętrznych naprężeń w formowanych częściach, dzięki czemu stają się one mocniejsze i mniej podatne na odkształcenia.

W przypadku druku 3D, tworzywo sztuczne jest topione, aby mogło być wytłaczane, a następnie stosunkowo szybko schładzane w celu uformowania pożądanego kształtu. Ponieważ plastik jest słabym przewodnikiem ciepła, części wytłoczonego plastiku są chłodzone nierównomiernie. Prowadzi to do narastania naprężeń wewnętrznych, z których najgorsze występują pomiędzy warstwami. Aby zwalczyć te punkty naprężeń, możesz wyżarzać swój wydrukowany w 3D obiekt.

Podobnie jak w przypadku metalu, powinieneś podgrzać plastik do temperatury zeszklenia, ale poniżej temperatury topnienia. Spowoduje to reorganizację wewnętrznej struktury krystalicznej i uformowanie większych ziaren, co w rezultacie da znacznie mocniejsze obiekty, które są mniej podatne na oddzielanie się warstw.

Powody, dla których warto to zrobić

Zwykłe, nieobrobione obiekty drukowane 3D zachowują się jak drewno. Są mocniejsze w jednym kierunku niż w innym, a jeśli przyłożysz zbyt dużą siłę w złym kierunku, rozerwiesz warstwy swojego wydrukowanego obiektu. Można jednak temu zaradzić poprzez wyżarzanie obiektów z PLA.

Najważniejszym powodem, dla którego warto wyżarzać PLA jest uzyskanie większej wytrzymałości. Testy wykazały, że wyżarzone obiekty mogą zyskać do 40% wzrostu wytrzymałości mechanicznej. Po wyżarzaniu, PLA stanie się mniej kruchy i bardziej plastyczny. Dodatkowym bonusem jest to, że PLA uzyskuje również większą odporność na temperaturę.

Jedyną wadą procesu wyżarzania jest to, że jeśli nie zostanie on przeprowadzony prawidłowo, można uzyskać wypaczony obiekt. Podczas wyżarzania, PLA ma tendencję do kurczenia się w kierunkach X i Y i rozszerzania w kierunku Z. Można tego uniknąć, jeśli wybierze się odpowiedni proces i parametry wyżarzania.

Jak podgrzać PLA w piekarniku

Istnieje kilka sposobów wyżarzania wydruków z PLA, ale koncepcja i cel są takie same: aby PLA stał się mocniejszy.

Podstawową koncepcją jest podgrzanie PLA powyżej temperatury zeszklenia około 60 °C (140 °F), ale poniżej temperatury topnienia 170 °C (338 °F) przez pewien czas, a następnie pozostawienie go do ostygnięcia. Poniżej opisano, jak to zrobić w piekarniku:

Rozgrzej piekarnik do temperatury 70 °C (158 °F) i pozostaw go gorącym przez około godzinę. To sprawi, że temperatura będzie tak jednolita jak to tylko możliwe. Nie wkładaj jeszcze swojego obiektu wydrukowanego w 3D do piekarnika.
Sprawdź temperaturę w piekarniku za pomocą dokładnego termometru. Gdy piekarnik osiągnie ustawioną temperaturę, wyłącz go. Umieść swój wydrukowany obiekt 3D na przedmiocie który możesz umieścić w piekarniku i włóż go do piekarnika. Ważne jest, aby wyłączyć piekarnik, ponieważ elementy grzewcze mają wyższą temperaturę niż ta, którą ustawiłeś. Jeśli zostawisz go włączony, może to zrujnować twój wydruk.
Pozostaw wydruki w piekarniku aż do ostygnięcia. Stopniowe schładzanie pozwoli uniknąć ponownego wystąpienia naprężeń wewnętrznych. Powolne chłodzenie zmniejszy również odkształcenia.
Gdy wszystko ostygnie, możesz wyjąć wyżarzony obiekt z pieca.
Możesz zauważyć, że twój obiekt skurczył się wzdłuż osi X i Y, ale urósł wzdłuż osi Z. Jeśli wymiary są dla Ciebie ważne, weź to pod uwagę przy projektowaniu obiektów. Skaluj go w górę na osiach X i Y, a w dół na osi Z.

To jest metoda „książkowa”. Jeśli chcesz szybko wyżarzać obiekt, spróbuj następnej metody.

Jak ogrzewać PLA w gorącej wodzie

Również w tym przypadku obowiązują te same zasady.

Podgrzej wodę do temperatury 70°C (158°F).
Umieść swój przedmiot w plastikowej torbie i zanurz go w gorącej wodzie. Dodaj kilka monet lub śrubek do torby, aby ją obciążyć.
Pozostaw przedmiot w wodzie przez około 30 minut w stałej temperaturze 70 °C (158 °F).
Pozostaw do ostygnięcia. Nie wyjmuj swojego obiektu wydrukowanego w 3D z wody.
Gdy woda ostygnie do temperatury pokojowej, możesz wyjąć swój obiekt z wody.
Ta metoda jest szybsza, ale nie da takich samych rezultatów jak poprzednia.