Как закалить 3D-распечатки, 
чтобы они стали более прочными. Техническое название «отпуск».

закаливание распечаток

Никому не нравится запах горячего пластика — 
всегда печатайте и закаляйте в хорошо проветриваемом помещении
 
Так бывало, и не раз: вы тратите время на проектирование объекта, стараетесь, чтобы он отвечал определенным требованиям, вы тщательно подбираете настройки слайсера, чтобы оптимизировать процесс, вы подбираете материал, который лучше всего соответствовал бы назначению объекта... Сама по себе печать проходит хорошо, результат тоже выглядит так, как он должен выглядеть, но, несмотря на всю заботу и работу, когда вы начинаете пользоваться объектом, всё идет не так, потому что распечатка получилась недостаточно прочной и жесткой.

В зависимости от того, что за деталь вы создаете и каково её назначение, иногда бывает трудно добиться нужной прочности и жесткости. Даже в тех решениях, в которых объект не подвергается высоким нагрузкам, дополнительная прочность лишней не будет. Всегда ли вы думаете о том, насколько прочным получится объект? 


Можно ли его как-то «укрепить»? 

Один из самых лучших способов увеличить прочность и жесткость – закалить его. В этой статье мы в общем и целом рассмотрим процесс закалки, узнаем, что он собой представляет и как влияет на прочность и деформируемость. Затем мы рассмотрим особенности, характерные для закалки наиболее популярных материалов для печати, так что вы потом сможете закалять свои 3D-распечатки, чтобы они стали прочнее.

Несмотря на то, что процесс относительно прост, вы сможете превратить стандартный материал, вроде PLA, в один из самых прочных филаментов для 3D-печати. 


Что такое закалка?

Закалка – процесс древний, первоначально его применяли в металлургии, чтобы увеличить прочность металлических объектов. Закалка – только один из способов тепловой обработки, который используют для изменения физических свойств металла, не меняя имеющейся формы. В частности, закалка повышает требуемые характеристики имеющегося металла.

Принцип процесса закалки адаптирован под пластики, чтобы они тоже становились прочнее уже после формирования объекта. Первоначально для доводки применялись те же процессы, что и для промышленного пластика, но вообще-то закалкой 3D-распечаток для придания им прочности может заниматься каждый, у кого есть доступ к кухонной духовке.


Как работает закалка?

В металлургии первоначальный процесс отливки и формовки металла приводит к образованию внутри него кристаллических структур, называемых зернами. Зерна обычно крупные. Металл в результате получается хрупким и при нагрузке разламывается по границе зерен.

Закалка металла включает в себя повторный нагрев его до температуры ниже точки плавления и последующее медленное остывание. В результате повторного нагрева внутри существующих крупных зерен образуются более мелкие кристаллы. Чем плотнее кристаллическая решетка, тем металл прочнее и пластичнее. Форма металлического объекта при этом не меняется, а нужные характеристики улучшаются.

зкалка пластика

В случае с пластиками процесс практические такой же – есть лишь небольшие отличия. FDM-печать подразумевает нагрев материала, чтобы его можно было экструдировать. После экструдирования материал застывает в форме печатаемого объекта. Пластик довольно плохо проводит тепло, это значит, что нагретый пластик остывает, как правило, неравномерно. Неравномерно остывание приводит к возникновению напряжений внутри объекта. Давайте рассмотрим подробнее природу этих напряжений.

Как вам, наверное, известно, большинство пластиков, используемых для FDM-печати, являются полимерами. Полимер состоит из двух или более субстанций. Каждая из этих субстанций состоит из длинных молекулярных цепочек. Цепочки эти переплетены друг с другом, образуя полимер.
На микроскопическом уровне структура пластика обычно выглядит неорганизованной и довольно аморфной. Нагревание пластика, его экструдирование и охлаждение преобразует структуру в более организованную кристаллическую форму. Формируются довольно крупные кристаллы, весьма похожие на те, которые появляются в металле после его первоначального нагревания и охлаждения.

Крупнокристаллическая структура пластика образует проблемные места по линиям между каждым из кристаллов. Кроме того, неравномерное охлаждение, вызванное плохой теплопроводностью, приводит к тому, что полимер сжимается в разных местах по-разному. Это, в свою очередь, приводит к возникновению разных сил напряжения и сжатия внутри полимерной структуры.

Закалка пластика включает в себя аккуратный нагрев вещества до температуры выше точки стеклования, но ниже температуры плавления, и затем медленное остывание. Как и при закалке металла, такое нагревание и охлаждение увеличивают количество кристаллических структур внутри пластика.

Кроме того, когда полимер приближается к температуре стеклования или достигает ее, у молекулярных цепочек появляется достаточно энергии, чтобы перейти в аморфное состояние. В таком состоянии они могут вращаться, смещаться, растягиваться и т.д. Это избавляет от некоторых сил напряжения и сжатия, которые были вызваны неравномерным охлаждением. Оба эти эффекта, в свою очередь, делают пластик более прочным, жестким и более устойчивым к механическим напряжениям.

Теперь, когда вы знаете, что такое закалка и как она работает для укрепления материалов 3D-печати, давайте взглянем на конкретные техники, которые вы можете применить для закалки объектов из некоторых наиболее распространенных пластиков.

Как закалить PLA

PLA обычно прочный, но несколько хрупкий. У него также относительно низкая температура плавления. Оба эти обстоятельства делают его отличным кандидатом на закалку. Низкая температура стеклования данного пластика еще более упрощает его закалку. Вдобавок, за счет увеличения пластичности PLA закалка снижает склонность объектов из этого пластика к хрупкости.

На самом деле, закалка – это лучший способ сделать PLA более прочным. 

Температура стеклования PLA составляет 60–65 °C. Температура плавления – 173–178 °C. Следовательно, при закалке обычного PLA температуру печи нужно выставить примерно в 100 °C.

Отметим, что у нашего PLA температура плавления ниже, так что закалку лучше всего производить при температуре около 70 °C. В целом, если для вашего PLA требуется более высокая температура печати, – он более низкого качества. У различных печей термостаты обладают различной точностью, поэтому всегда стоит провести испытания на какой-нибудь ненужной распечатке.

Температура закалки достаточно высока, чтобы PLA размягчился и стал аморфным, высвободив часть вызванного печатью напряжения и нарастив свою кристаллическую структуру. Она при этом достаточно мала, чтобы PLA не расплавился и не потек, потеряв свою форму.

Дайте печи дойти до нужной температуры, после чего забудьте о ней примерно на час. Это время требуется, чтобы температура внутри распределилась как можно более равномерно, чтобы не было холодных и горячих «точек», которые могут отрицательно повлиять на процесс закалки. Перед тем как устанавливать ваш напечатанный PLA-объект в печь, воспользуйтесь точным термометром, чтобы убедиться в правильности температуры.

Надо заметить, что при закалке пластика PLA или любого другого филамента, печи с конвекцией (с вентилятором) дают лучший результат закалки по той же самой причине, по которой в них получается великолепный хлеб. Тепло в них излучается не с одного направления, а нагретый воздух за счет конвекции циркулирует вокруг объекта, обеспечивая нагрев с 360°, что приводит к равномерному результату.

Примечание. Никогда не пытайтесь закаливать распечатки в газовых духовках. Термометр может показывать Х градусов, но пламя гораздо горячее, что может привести к расплавлению и возгоранию распечатки. Производите закалку только в электрической плите или печи и всегда следите, чтобы нагревательный элемент был выключен, прежде чем вы установите внутрь ваш объект. Еще раз: нагревательный элемент может быть гораздо горячее, чем показания термометра.  

Когда печь достигла нужной температуры, установите ваш PLA-объект или объекты на противень, поместите всё внутрь и оставьте до остывания. Повторите процесс несколько раз, нагревая печь (без распечаток в ней) и выключая ее, когда помещаете внутрь подлежащий закалке объект. Делайте это до тех пор, пока общее время закалки вашего объекта не составит примерно час (или больше – для более крупных распечаток). 

Этого времени объекту достаточно, чтобы впитать такое количество тепловой энергии, которое позволит полимерным цепочкам перемещаться, растягиваться, перестраиваться и рекристаллизовываться, образуя более прочную внутреннюю решетку. Не открывайте печь в процессе закалки, потому что любая потеря тепла может привести к неполноценному результату.

По мере того как печь будет постепенно остывать, постепенно будет остывать и объект. Процесс постепенного охлаждения позволяет избежать повторного возникновения внутренних напряжений, которые возникали во время резкого охлаждения после печати. Постепенное охлаждение снижает также вероятность перекосов, которые могут иметь место и при температуре закалки.

Когда температура в печи достигнет комнатной, достаньте из нее объект или объекты. Вы можете заметить, что распечатки слегка сжались по линии слоев печати. Кроме того, вы можете заметить некоторое расширение перпендикулярно слоям печати. Иными словами, размеры по осям X и Y стали меньше, а по Z – увеличились.

Эти изменения обусловлены изменением в напряжениях, вернее – высвобождением внутренних напряжений и сил сжатия, о которых мы говорили выше. В среднем сжатие по соответствующим осям составляет порядка 5%, а расширение – около 2%. Если такого рода расширение-сжатие составляет проблему, вам придется компенсировать его заранее при проектировании и печати.

После закалки вы получите значительное увеличение прочности вашего PLA-объекта. Нередко прочность и износостойкость возрастают на 40%. Также вы можете получить существенные улучшения по жесткости. Здесь бывает до 25%. Наконец, стабильность закаленного PLA при повышенных температурах тоже оказывается гораздо лучше. Поэтому, если вам нужна жесткая, высокопрочная деталь из PLA с хорошей термостойкостью, закалка – это правильный выбор.

Как закалить ABS

ABS обычно более прочный и менее хрупкий, чем PLA. У него также более высокая температура плавления, чем у PLA. Несмотря на это, ABS также является отличным кандидатом на закалку. Притом что ABS по причине его более высокой температуры стеклования нужно закалять при более высоком нагреве, чем PLA, процесс закалки обеспечит ABS такое же улучшение требуемых характеристик материала, как и у PLA.

Температура стеклования ABS составляет 105 °С. Температура плавления – от 210 до 240 °С.  Следовательно, температуру печи нужно выставить примерно в 110 °C. Эта температура достаточно высока, чтобы материал размягчился, высвободил напряжение и нарастил свою кристаллическую структуру. При желании вы можете испытать закалку ABS при более высокой температуре, однако при этом могут возникнуть некоторые перекосы и деформации. Аналогично ситуации с PLA, температура закалки должна быть не настолько высока, чтобы материал расплавился, потек или значительно деформировался.

И снова дайте печи дойти до нужной температуры, после чего забудьте о ней примерно на час, чтобы нагрев распределился равномерно. Перед тем как устанавливать ваш напечатанный ABS-объект в печь, воспользуйтесь точным термометром, чтобы убедиться в правильности температуры. Как и для любой закалки, печь с конвекцией всегда предпочтительнее.

Когда печь прогрелась до нужной температуры, поместите в нее на противне свой объект примерно на 30 минут плюс по 15 минут на каждые 3 мм поперечного сечения объекта. В этом случае, аналогично PLA, этого времени объекту должно быть достаточно, чтобы впитать такое количество тепловой энергии, которое позволит полимерным цепочкам перемещаться, растягиваться, перестраиваться и рекристаллизовываться, образуя более прочную внутреннюю решетку. Как всегда, не открывайте печь в процессе закалки.

По истечении нужного времени выключите печь, оставив объект внутри. Постепенное остывание позволит уменьшить перекосы и повторное появление внутренних напряжений, вызванных резким охлаждением.

Когда температура в печи достигнет комнатной, достаньте из нее свой объект. Опять-таки, вы можете заметить сжатие и увеличение размеров по осям. Как и в случае PLA, сжатие можно компенсировать на этапе проектирования и печати. Закаленный объект должен стать более прочным, жестким и стабильным, а также более термостойким.

Как закалить Nylon

Nylon гораздо более прочен и менее хрупок, чем PLA и ABS. Температура его плавления ниже, чем у ABS, и сравнима с PLA. Как и у PLA, низкая температура стеклования упрощает закалку. Кроме того, в результате закалки значительно повышается температура тепловой деформации. С учетом его высокой прочности Nylon оказывается отличным выбором для приложений, в которых вопросы термо- и износостойкости являются ключевыми.

Температура стеклования Nylon составляет на удивление всего 41 °С. Однако температура плавления при этом вызывает уважение – от 178 до 181 °С. Следовательно, температуру печи нужно выставить в 130-140 °C. Эта температура достаточно высока, чтобы материал размягчился, высвободил напряжение и нарастил свою кристаллическую структуру.

Как всегда, температура закалки должна быть не такой большой, чтобы материал расплавился, потек или значительно деформировался.

В данном случае тоже – когда печь нагреется до нужной температуры, дайте ей с час постоять, чтобы нагрев распределился равномерно. Воспользуйтесь точным термометром, чтобы измерить температуру до начала процесса закалки, по возможности включите конвекцию.

Поместите ваш нейлоновый объект на противне в печь и забудьте о нем на два часа. Это время требуется для перестройки полимерных цепочек и рекристаллизации. Не открывайте печь в процессе закалки.

По истечении двух часов выключите печь, оставьте объект внутри и дайте печи постепенно остыть до комнатной температуры. Это позволит уменьшить риск перекосов и максимизирует преимущества, полученные за счет закалки.

Когда температура в печи достигнет комнатной, достаньте из нее свой объект. Опять-таки, вы можете заметить сжатие и увеличение размеров по осям. Как и в случае PLA, сжатие можно компенсировать на этапе проектирования и печати.

Хотя в данном случае улучшения в плане прочности будут незначительными, значительно повысится температурная стабильность. Как правило, закалка увеличивает деформационную теплостойкость нейлоновых объектов более чем на 40%.

Советы по 3D-принтеру

Спец предложение

Товар добавлен в корзину

Количество
Стоимость

В Вашей корзине товаров:

На сумму:

Продолжить покупки Перейти в корзину
Заказ в один клик