Повышаем теплостойкость и прочность 3D-печатных изделий из ПЛА (и не только)

Полилактид (REC PLA) — очень простой и удобный в работе полимер, но у него есть один существенный недостаток, а именно легкоплавкость. Рассказываем, как повысить теплостойкость полилактида в бытовых условиях.

Отжиг — это процедура термической обработки, наиболее широко применяемая для повышения прочности литых изделий — как металлических, так и полимерных. В случае с литьем отжиг необходим для снятия остаточных внутренних напряжений, возникающих из-за термоусадки при охлаждении. Это, в свою очередь, повышает стойкость изделий к нагрузкам. Метод применим не только к литым изделиям, но и 3D-печатным, ведь в FDM-печати изделия выращиваются полимерными расплавами, а остывшие модели точно так же демонстрируют эффекты термоусадки.

Сразу скажем, что отжиг можно применять к изделиям не только из полилактида, но и других пластиков для 3D-принтеров, например АБС (REC ABS). Собственно, у акрилонитрилбутадиенстирола более ярко выраженная термоусадка, чем у ПЛА, так что пользы будет не меньше. Почему мы выбрали полилактид? Потому что в отличие от аморфного АБС полилактид имеет кристаллическую фазу, а значит отжиг помогает не только снимать напряжения, но и упорядочивать структуру рекристаллизацией, тем самым повышая как прочность, так и теплостойкость. Температура размягчения ПЛА — всего 50°С, но с помощью отжига ее можно довести примерно до 85°С, а значит изделия будет не так страшно оставлять на солнце или использовать в трущихся механизмах. Прочность тоже повысится — примерно на 10-20%.

Необработанный полилактид может расплавиться даже на открытом солнце

Что такое отжиг

Это процесс термической обработки, при которой изделие нагревается выше температуры кристаллизации, но ниже температуры плавления. Для разных кристаллических и полукристаллических полимеров этот показатель будет разным, в нашем случае нагревать нужно примерно до 70-110°C, но медленно и аккуратно. Сама 3D-печать предусматривает довольно быстрое нагревание и охлаждение полимера, что приводит к образованию аморфных структур. Задача отжига — максимально преобразовать аморфные области в полукристаллические.

Структура 3D-печатного изделия до и после отжига при 110°С

Сразу предупредим, что отжиг полилактида приводит к сильной усадке и, соответственно, потере размерной точности. Чем выше температура, тем сильнее будут деформации, поэтому начинать желательно с 70°C, а в последующих экспериментах можно последовательно повышать температуру, пока не будет достигнут желаемый результат. Для начала попробуйте поэкспериментировать с тестовыми моделями, например калибровочными кубиками — так вы не будете рисковать ценными изделиями, а заодно сможете измерить деформации и учесть полученный опыт на будущее.

Результаты деформации разных полимеров при отжиге на разных температурах

Если вы собираетесь отжигать детали механизмов, возможно стоит печатать с щедрыми допусками, а после отжига подвергать детали чистовой механической обработке — сверлению, фрезерованию и так далее. По этой же причине изделия желательно печатать с максимальным заполнением: чем плотнее будут детали, тем сильнее они будут сопротивляться деформациям.

Отжиг в духовке

Перед отжигом изделия необходимо хорошенько очистить от «паутины», остатков поддержек и бримов, клея и пыли. Самый простой способ отжига предусматривает использование духовки и обычного кварцевого песка, но тот стоит остановиться на одном моменте: встроенные термометры не обладают достаточной точностью, поэтому придется обзавестись отдельным инструментом. Перед отжигом позвольте духовке равномерно прогреться до необходимой температуры в течение примерно получаса. Как вариант, вместо песка можно использовать поваренную соль. Чем меньше фракция песка или соли, тем лучше.

По возможности желательно использовать электрическую духовку и печку, так как газовые работают «рывками» с довольно сильными перепадами температур. Во время отжига изделие помещается в емкость с песком — песок служит стабилизатором и будет способствовать плавному и равномерному прогреву и охлаждению изделия. Оба фактора важны: для максимальной кристаллизации изделие должно охлаждаться медленно. Само собой, изделие должно быть полностью погружено в песок, так что выбирайте емкость достаточной глубины. Между изделием и стенками емкости и поверхностью должны быть хотя бы пять сантиметров песка или соли.

Когда духовка прогреется до необходимой температуры, поместите емкость внутрь и подождите примерно один час, затем емкость можно вынимать. Охлаждение до комнатной температуры должно проходить естественным путем: не пытайтесь вынимать и принудительно охлаждать горячее изделие, это только испортит результат.

Отжиг в горячей воде

Да, звучит забавно, так что при желании можете называть процесс варкой. Суть та же: изделие нужно нагреть, а затем дать возможность медленно остыть, только на этот раз рабочей средой будет не песок, а вода. Этот метод может быть предпочтителен, если у вас газовая духовка или вообще нет духовки, но добиться стабильных результатов может быть несколько сложнее.

Перед погружением в воду деталь желательно поместить в герметичный полиэтиленовый пакет: полилактид не слишком гигроскопичен, но все же немного впитывает воду, а результаты при нагревании и охлаждении «сырого» пластика могут быть непредсказуемыми. Постарайтесь выжать или откачать из пакета излишки воздуха (слишком сильно откачивать не стоит, чтобы пакет не давил на изделие), а затем поместите в нагретую воду. До кипячения воду доводить не следует, иначе может расплавиться сам пакет. Если пакет будет плавать на поверхности, может потребоваться грузило, только будьте осторожны: не придавливайте само изделие, ведь во время «варки» оно станет мягким.

Дальше все так же, как в предыдущем варианте: выдерживайте изделие в теплой воде в течение одного часа, отслеживая температуру термометром, затем выключайте плиту и оставляйте воду вместе в изделием медленно остывать до комнатой температуры.