Как отжигать PLA пластик в духовке?
| Что такое отжиг пластиков? Как отжечь PLA распечатки в домашних условиях? Какую температуру отжига выбрать? И какие распечатки стоит отжигать? |
|---|
Свежеиспеченные PLA распечатки
Всем хорош PLA пластик — недорогой, биоразлагаемый, неприхотливый в печати. Одна беда: PLA распечатки довольно хрупкие и не дружат с температурами окружающей среды выше 60 °C, что делает их менее практичными, чем распечатки, скажем, из ABS. Но решение есть! Термостойкость и прочность PLA изделий можно кардинально улучшить путем отжига распечатков в обычном духовом шкафу. О том, как правильно ‘испечь’ PLA изделия, при этом не расплавив их, мы и поговорим в этой статье.
Электрическая духовка позволяет отжигать распечатки, не выходя из дома
Немного теории
Как отжигать PLA пластик в духовке?
Выбираем подходящую температуру отжига
Процедура отжига
Какие распечатки стоит отжигать? Моя история отжига детализированных изделий
Что дает отжиг PLA пластика на самом деле?
Отжиг чайником, или варим распечатки в кипятке
Отжиг — это процесс термообработки материалов путем их нагревания до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В процессе отжига меняется кристаллическая решетка материалов, что делает их более прочными и минимизирует остаточное напряжение внутри изделий.
Процесс отжига, конечно, гораздо чаще ассоциируется с металлами, но и применительно к пластикам отжиг способен значительно улучшить механические и теплофизические свойства изделия. Так, ожигая PLA распечатки, мы увеличиваем их твердость, термостойкость и прочность на разрыв.
Снимок поверхности неотожженного PLA распечатка (слева) и отожженного при 110 °C распечатка (справа), полученный растровым электронным микроскопом. Оригинал снимка взят из блог-поста производителей 3D принтеров Prusa, посвященного теме влияния температуры отжига на пластиковые 3D распечатки
Первый раз с отжигом распечатков я столкнулась довольно нетривиальным образом. Ремонт в моей квартире близился к концу, оставалось буквально пару финальных штрихов, одним из которых была покупка обводов для труб, позволяющих закрыть крайне неприглядные глазу места стыка сих труб с паркетом. Но ни одни накладки массового производства не подходили по высоте из-за выпирающего среза труб от старого радиатора.
Вот так накладки для труб массового производства садились на мои срезы. Вернее, НЕ садились. Нужны были высокие кастомные накладки, которые бы закрыли весь этот мрак, при этом сели бы на срез старых труб
Логичным шагом показалось смоделировать и напечатать кастомные накладки. Был один нюанс. Распечатки должны были обладать достаточной термостойкостью, чтобы находиться невредимыми возле горячих труб. То есть правильнее было бы печатать из ABS, ведь этот пластик выдерживает температуры до 100 °C (ну или из любого другого пластика с достаточной термостойкостью). Однако под рукой на тот момент были только PLA катушки. Нужно было лишь разобраться с низкой термостойкостью PLA.
Я стала гуглить варианты увеличения термостойкости PLA и наткнулась на отжиг 3D распечатков. Суть проста. Мы нагреваем PLA распечаток в духовке до момента, когда его молекулы начинают перестраиваться и образовывать новые структуры, более прочные, стабильные и с меньшим остаточным напряжением. Пластик необходимо нагревать в диапазоне температуры стеклования, но ниже температуры полного плавления. В диапазоне между этими двумя температурами распечаток все еще сохраняет свою форму, но становится мягким, и на его молекулярном уровне начинают происходить изменения, делающие его структуру более упорядоченной и стабильной. За счет такого отжига мы улучшаем механические и термические свойства материала.
Большинство пластиков для 3D-печати — это полимеры, состоящие из длинных повторяющихся цепей молекул. В твердом состоянии полимеры, как правило, могут иметь два типа молекулярных структур: аморфную (хаотичную) и полукристаллическую* (частично организованную). Точного разделения между этими двумя видами структур, однако, не существует: молекулы полимера могут иметь разный уровень упорядоченности.
*Хозяюшке на заметку: полукристаллические полимеры также могут называть частично кристаллизующимися или аморфно-кристаллическими.
Молекулярная структура кристаллических, полукристаллических и аморфных полимеров
Нагревая пластик в сопле принтера, мы делаем его молекулярную структуру аморфной. Далее мы охлаждаем распечаток до комнатной температуры, его структура при этом так и остается аморфной — то есть менее прочной и термостойкой, чем структура полукристаллических полимеров. А поскольку пластик обладает плохой теплопроводностью, распечаток охлаждается неравномерно. Это приводит к накоплению остаточного напряжения, особенно между слоями, что также негативно сказывается на механических свойствах изделия.
В процессе отжига распечатка мы меняем его молекулярную структуру: из аморфного твердого тела изделие перекраивается в частично кристаллизующийся полимер с более организованной структурой, тем самым становясь более прочным и термостойким. Отжигая пластик, мы также снижаем уровень остаточного напряжения, вызванный процессом печати.
Помимо аморфных и полукристаллических твердых тел, существуют и кристаллические твердые тела. В кристаллических телах, например, в алмазах, частицы располагаются в строгом порядке, за счет чего такие тела обычно тверже и жестче, чем аморфные и частично кристаллизующиеся. В аморфных же телах — например, в разогретом в сопле принтера PLA пластике — молекулярные цепи располагаются хаотично, за счет чего аморфные твердые тела более эластичны и гибки и по своей структуре близки к жидкостям.
Отжигая пластик, мы придаем ему более упорядоченную полукристаллическую структуру, тем самым аморфные распечатки по своим механическим свойствам становятся чуть более похожи на кристаллические твердые тела.
Теперь когда мы разобрались с теорией, приступим к практике. Чтобы отжечь пластик, нам нужно нагреть его в диапазоне температуры стеклования, но не расплавить.
Температура плавления полимера — это температура, при которой происходит плавление кристаллической структуры полимера и его переход из твёрдого тела в жидкое. Температуру плавления можно определить только для кристаллических и частично кристаллизующихся полимеров. А вот аморфные полимеры не имеют точной температуры плавления, так как в них нет упорядоченной кристаллической структуры. Вместо того, чтобы моментально превратиться в жидкость, они постепенно размягчаются. Температурный диапазон, в котором полимер переходит из полностью твердого состояния в мягкое вязкотекучее называется температурой стеклования полимера. У разных пластиков этот температурный диапазон свой.
Температура стеклования и плавления некоторых полимеров
Чтобы отжечь PLA пластик, нам нужно нагреть его в диапазоне температуры стеклования от 65 °C. Так как при температуре около 170 °C PLA распечаток уже очень сильно деформируется, то выше этой температуры подниматься вообще не стоит.
Точная температура отжига будет зависеть от размеров и формы вашего распечатка, а также от использованного PLA. Чем выше температура отжига, тем больше слои распечатка склеиваются друг с другом, и тем более крепким этот распечаток становится. На обратной стороне медали мы имеем усадку и деформацию: чем выше температура отжига, тем больше будет усадка и деформация вашего распечатка, как правило. Если вы будете отжигать распечаток при слишком высокой для него температуре, он и вовсе может рухнуть.
Идеальная температура отжига — это температура, при которой достигается баланс между обретаемой твердостью и термостойкостью распечатка и минимизацией его деформации и усадки/увеличения. Обычно такая температура подбирается опытным путем. Благо есть люди, которые этот опытный путь проделали за нас: в 2019 году производители принтеров Prusa провели тестирование отожженных при разных температурах распечатков из PLA, PETG, ABS и ASA и установили, что для PLA оптимальной температурой отжига является диапазон от 70 до 110 °C. На картинке ниже представлены отожженные тестовые образцы из данного исследования. Глядя на них, можно увидеть деформацию PLA при разных температурах отжига.
Изменение размеров пластиковых распечатков при разной температуре отжига. Оригинал снимка тут
Более подробно об исследовании команды Prusa и о том, как меняются свойства распечатков из PLA, PETG, ABS, ASA при разных температурах отжига, читайте тут.
Перво-наперво, для отжига мы используем только электрическую духовку. В газовых плитах термометр показывает одну температуру, но само пламя гораздо горячее данной температуры и может расплавить, а то и поджечь ваш распечаток. Микроволновки тоже отпадают. Для отжига лучше всего подходит электрическая духовка с конвекцией, но и без нее сойдет.
Также перед отжигом полезно определить размеры вашей модели (толщину по оси z, длину по оси y и ширину по оси x), например, с помощью штангециркуля. В среднем, распечатки из PLA садятся на 2% по осям X и Y, и увеличиваются на 5% по оси Z. Если вы печатаете изделия, для которых важен размер, то замерив толщины и ширины модели до и после закалки, вы сможете точно просчитать процент усадки/увеличения распечатка и задать этот процент при моделировании изделий или изменить размер изделия непосредственно в слайсере.
Не забывайте замерять изделие до и после отжига, чтобы просчитать усадку/увеличение распечатка. Удобнее всего это делать при помощи штангенциркуля
После замеров переходим к отжигу.
Существуют два сценария отжига распечатков в духовке (по крайней мере я наткнулась на два самых часто используемых).
Первый вариант: разогрейте духовку до выбранной температуры (в диапазоне 70-110 °C) и оставьте ее на нагреве 30-60 минут, чтобы воздух как можно более равномерно распределился по духовке. По истечении 30-60 минут проверьте температуру духовки точным термометром и убедитесь, что она соответствует желаемой, затем погрузите ваши распечатки в термостойкую, пригодную для духовки посуду, отправьте их в духовку и сразу отключите ее. Оставьте распечатки в духовке до момента ее полного остывания. Медленное охлаждение уменьшит вероятность деформации распечатков и образования повторного остаточного напряжения. Как только духовка остынет, ваши распечатки готовы к использованию.
Второй вариант: разогрейте духовку до выбранной температуры (в диапазоне 70-110 °C), поместите распечатки в жаропрочную, пригодную для духовки посуду, отправьте их в духовку и оставьте там на определенное время — время будет зависеть от материала, размеров и форм вашего распечатка. Как правило, это 30-45 минут. Постоянно поглядывайте за вашими распечатками, чтобы они не расплавились! По истечении заданного времени выключите духовой шкаф и оставьте распечатки медленно там остывать, продолжая контролировать процесс.
Второй метод отжига гораздо лучше спечет слои распечатков, что придаст изделиям больше прочности. Однако и деформация будет более заметной.
После отжига вновь измерьте распечатки и посчитайте усадку/увеличение для данного изделия. Так вы сможете понять, при какой температуре и в течение какого времени лучше всего отжигать подобные распечатки: если деформация и изменение размеров слишком велики, то нужно либо уменьшить время отжига, либо температуру.
Вернемся же к моим обводам для труб.
Обвод — объект со сложной геометрией, для которого размер играет критическое значение. Сложная геометрия и точность размеров являются двумя большими противопоказаниями для отжига изделий. Причина тому — усадка и деформация. Но я все же решила поставить эксперимент и попробовать отжечь обводы из PLA. Важно: изделия для отжига нужно печатать со стопроцентной плотностью заполнения Infill = 100%, дабы минимизировать деформацию.
Свою 3D модель обвода для труб я создала в Rhinoceros 3D
Данная 3D модель обвода учитывала срезы от старого радиатора
Печатались обводы на принтере Prusa i3 MK3 с толщиной слоя 0,1 мм
Так выглядел обвод после печати. Модель печаталась с поддержками и каймой (кайма у меня, конечно, супер длинная, но так как печать занимала 6 ч 40 мин, и было бы обидно, если б распечаток в какой-то момент отлип от платформы печати, я решила перестраховаться)
Готовый обвод после удаления поддержек
Перед отжигом нужно было определиться с температурой нагрева. Учитывая, что термостойкость PLA распечатков возрастает выше 100 °C при температуре отжига от 90 °C (как видно из тестирования отожженых при разных температурах пластиковых изделий тут), я решила начать с этой температуры и посмотреть, насколько сильной будет деформация.
График, отображающий изменения термостойкости распечатков из PLA и других пластиков при отжиге в 70, 90 и 110 °C. Данные получены путем повторного нагрева отожженных пластиков до указанных температур с применением нагрузки. Температура тепловой деформации показывает, при каких градусах распечатки под нагрузкой прогибались на 2 мм. Из графика видно, что термостойкость PLA поднимается выше 100 °C при температуре отжига от 90 °C. Поэтому обводы для труб имело смысл отжигать при температуре в 90 °C. Оригинал графика тут
Я разогрела электрический духовой шкаф до 90 °C на режиме с самым равномерным распределением воздуха, который в нем имелся. Духовка прогревалась в течение 20 минут, чтобы температура распределилась по ней более равномерно. Затем я поместила обвод в духовкопригодную посуду и отправила его отжигаться на 30 минут, не выключая при этом нагрев. По истечении 30 минут я выключила духовку и дала распечаткам остыть в ней до комнатной температуры. К сожалению, деформация изделий при отжиге в 90 °C оказалась слишком сильной, что сделало их непригодными для использования.
Сравнение неотожженного распечатка (слева) и отожженного при 90 °C в течение 30 минут распечатка (справа). Отожженный распечаток исказился, увеличился в высоту и усел в ширину и глубину. Распечаток слева обработан шкуркой для дальнейшей покраски, поэтому на нем виден белый ‘налет’
Отжиг при 70 °C в течение 30 минут дал схожие результаты: распечатки деформировались настолько, что использовать их в деле стало невозможно.
Сравнение неотожженного распечатка (слева) и отожженного при 70 °C в течение 30 минут распечатка (справа). Отожженный распечаток исказился, увеличился в высоту и усел в ширину и глубину. Распечаток слева обработан шкуркой для дальнейшей покраски, поэтому на нем виден белый ‘налет’
Как мы видим, метод отжига, в котором PLA распечатки оставляются во включенной духовке, никак не подходит для прецизионных изделий. А что насчет варианта, когда распечатки запекаются в нагретой и выключенной духовке? При таком отжиге распечатки деформировались гораздо меньше, как видно по картинкам ниже. Но и термостойкость их не достигла нужного мне уровня: после отжига я вновь отправила распечатки в духовку, нагретую до 110 °C, и оставила там на 15 минут — распечатки сильно исказились.
Слева — направо: неотожженный распечаток и распечатки отожженные в нагретой до 90, 80 и 70 °C духовке. На этот раз духовка была выключена во время отжига, поэтому и деформация оказалась не такой большой
Те же отожженные при 90, 80 и 70 °C распечатки после повторного 15-ти минутного нагрева при 110 °C. Как мы видим, отжиг в нагретой выключенной духовке не особо увеличил термостойкость изделий: при высоких температурах они сильно деформировались
Из моего эксперимента можно сделать вывод, что прецизионные PLA распечатки отжигать смысла нет из-за сильной деформации. Однако отжиг отлично работает на изделиях с простой геометрией, которым необходимо придать больше прочности и термостойкости. В чем я тоже убедилась на собственном опыте. На картинке ниже мы видим изделие с нехитрой геометрией размером 22х50х2 мм и толщинами 2 мм и 1,5 мм и его отожженную копию. Распечаток отжигался при 90 °C в течение 30 минут.
Сравнение отожженного при 90 °C в течение 30 минут распечатка (слева) и неотожженного распечатка (справа). Деформация практически не наблюдается
Оба образца я замерила штангенциркулем и высчитала усадку/увеличение по трем осям в процентах. Как мы видим, деформация оказалась минимальной.
Усадка/увеличение изделий с простой геометрией после печати и отжига
Так что можете смело экспериментировать с отжигом PLA изделий простой геометрии.
Что же касается моего проекта с обводами, сообщаю, что в итоге мне пришлось распечатать изделия из ABS. Фото окрашенных и установленных на трубы обводов прилагаю:
Напечатанные на 3D принтере обводы из ABS, установленные на отопительные трубы
Напечатанные на 3D принтере обводы из PLA, установленные на декоративные трубы
На основании тестов отожженных при разных температурах распечатков, о которых я подробно рассказываю тут, после отжига при температуре 90 °C термостойкость PLA изделий увеличивается почти в 2 раза, а отжиг при 110 °C позволяет PLA изделиям выдерживать температуры почти в 130 °C (вместо привычных 60 °C без отжига). Если отжигать PLA при температуре выше 90 °C, то количество силы, которую нужно приложить, чтобы разорвать изделие, возрастает на 20%. А вот хрупкость PLA распечатков уменьшается только при отжиге в 170 °C, но такая температура сильно деформирует изделие.
Подробную статью о том, как меняются размеры, прочность и термостойкость распечатков из ABS, ASA, PETG и PLA при разных температурах отжига читайте здесь.
Для ленивых есть более незапарный способ отжечь PLA распечатки, но его эффективность в улучшении физико-механических свойств пластика я не проверяла. Речь идет об отжиге пластика горячей водой. Принцип прост. Нагреваем воду до 70 °C. Помещаем распечаток в пластиковый пакет и погружаем в горячую воду. Чтобы пакет ушел на дно, можно положить в него что-нибудь металлическое. Изделие должно находиться в воде около 30 минут. Сложность в том, что температуру нужно держать неизменной — 70 °C — на протяжении всех 30 минут. По истечении получаса останавливаем нагрев и даем пластику остыть прямо в воде до комнатной температуры. После чего достаем распечатки и пользуемся.
Можно экспериментировать и с более высокими температурами, главное, держать нагрев стабильным.
О результатах ваших экспериментов с отжигом можете писать в комментах внизу или мне в IG :) А если статья была вам полезна, поделитесь ей в соц. сетях! Отличной вам печати <3D
Что дает отжиг 3D распечатков? Насколько улучшаются характеристики пластиков после отжига? Как выбрать оптимальную температуру отжига?