Što je žarenje: poboljšajte svoje 3D printeve

Svatko tko se bavi praktičnim 3D printanjem vjerojatno je primijetio potrebu za optimizacijom svojih 3D printeva i poboljšanjem njihovih mehaničkih svojstava. To se može postići eksperimentiranjem s više industrijskih materijala ili podešavanjem postavki printanja. Međutim, te opcije mogu biti skupe ili ne mogu dati željeni rezultat. Sada se možda čak i pitate postoji li onda način za poboljšavanje 3D printeva bez plaćanja industrijskih materijala ili trošenja sati na podešavanje postavki. I možemo vam odgovoriti – da, i to se zove žarenje.

Razumijevanje žarenja

Definicija žarenja u kontekstu 3D printanja

Koncept žarenja potječe iz metalurgije i postaje korisna praksa za poboljšanje duktilnosti i snage čelika. Tijekom žarenja, precizno se upravlja temperaturom i brzinom hlađenja kako bi se optimizirala ukupna izvedba predmeta.

Slično, žarenje u 3D printanju može znatno povećati mehanička svojstva. To je proces koji se sastoji od zagrijavanja predmeta i zatim njegova hlađenja u kontroliranom okruženju. Ovakav pristup smanjuje unutarnje napetosti unutar materijala, što osigurava snažniji proizvod otporniji na temperaturu.

Utjecaj na svojstva materijala

Žarenje funkcionira pomoću kristalnog mehanizma koji proizvodi suprotne učinke na metale i polimere. Korištenjem PLA filamenta za primjer, žarenje kod njega uključuje zagrijavanje materijala na temperature iznad njegove temperature staklenog prijelaza, što uzrokuje preraspodjelu polimernih lanaca u pozitivno nabijene oblike poznate kao kristalne regije. Ta područja povećavaju mehaničku čvrstoću, toplinsku otpornost i kemijsku stabilnost površine polimera.

Izvor: Prusa Research

Za razliku od metala, gdje žarenje poboljšava duktilnost, kristalna područja formirana u polimerima daju tvrdoću i fleksibilnost. Te kristalne strukture nastaju kroz procese nukleacije i rasta, gdje temperatura utječe na ravnotežu tih dviju komponenti.

Prednosti žarenja 3D printeva

Poboljšana mehanička čvrstoća i izdržljivost

Kada su pravilno žareni, 3D printani dijelovi pokazuju minimalno sakupljanje ili savijanje i postižu značajno povećanje mehaničkih svojstava. Postupci žarenja mogu povećati čvrstoću savijanja i krutost, što dijelove čini vrlo otpornima na mehaničko naprezanje i udarce. Primjerice, Sveučilište Groningen provelo je žarenje nad PET filamentom od karbonskih vlakana na 120°C, što je rezultiralo povećanjem čvrstoće savijanja za 18,5%. Uz to, žarenje poboljšava otpornost materijala na toplinu iznad uobičajene temperature staklenog prijelaza (TG), što ih čini jačima i izdržljivijima.

Povećana otpornost na toplinu i stabilnost

Akademici u Polymers časopisu napravili su testiranje čistog ABS uzorka žarenjem na temperaturama u rasponu od 105°C do 175°C kako bi poboljšali diferencijalnu vlačnu čvrstoću do 4 sata pri optimalnim uvjetima žarenja od 105°C s vlačnom čvrstoćom od oko 6,31% u usporedbi s onom kod netretiranih uzoraka. Dodatno, žarenje pomaže smanjiti promjenu oblika printanih dijelova, što rezultira većom stabilnošću oblika tijekom vremena.

Smanjenje unutarnjih naprezanja i savijanja

Glavna prednost žarenja je u tome što može istovremeno smanjiti unutarnje naprezanje, poroznost i savijanje u 3D printanim dijelovima, čime se poboljšava međuslojno spajanje i ukupni strukturni integritet. Ova metoda naknadne obrade smanjuje skupljanje i savijanje te eliminira zaostala naprezanja u materijalu. Tijekom žarenja važno je imati na umu da visoke temperature zagrijavanja mogu uzrokovati određeno pogoršanje svojstava printa i površinsku oksidaciju, posebno u materijalima kao što je PET-CF. Pažljiv odabir temperature žarenja na temelju željenih svojstava konačnog proizvoda može rezultirati smanjenim savijanjem i poboljšanim mehaničkim svojstvima.

Žarenje različitih materijala

Iako se žarenje pokazalo učinkovitijim za materijale kao što su PLA i PETG, prednosti su manje za ASA i ABS zbog količine deformacije i izobličenja. Unatoč potencijalnim izazovima u smislu promjena veličine i opsega, prednosti poboljšane opreme nadmašuju ove nedostatke.

Tehnike i metode žarenja

Za poboljšanje svojstava 3D printa mogu se koristiti različite tehnike žarenja. Ove metode uključuju žarenje u pješčanoj ili slanoj kupki, žarenje u peći i žarenje pod vodom. Žarenje u pješčanoj ili slanoj kupki uključuje uranjanje otisnutog predmeta u zagrijanu kupku pijeska ili soli kako bi se postiglo ravnomjerno zagrijavanje i kontrolirano hlađenje. S druge strane, žarenje u peći uključuje stavljanje predmeta u pećnicu i zagrijavanje na željenu temperaturu određeno vrijeme. Žarenje u vodi uključuje uranjanje predmeta u zagrijanu vodu kako bi se pomoglo ravnomjerno zagrijavanje i hlađenje. Svaka tehnika nudi jedinstvene prednosti i prikladna je za različite vrste materijala i željene rezultate.

Odabir prave metode

Prilikom odlučivanja o tome koja metoda žarenja najbolje funkcionira za vaš odabrani materijal, predlažemo da uzmete u obzir više čimbenika. Ti čimbenici uključuju:

• vrstu korištenog materijala,
• željena svojstva završnog objekta,
• i praktična razmatranja kao što su dostupnost i sigurnost opreme.

Žarenje u pećnici je najjednostavniji način i najčešće ga koriste proizvođači i hobisti. Štoviše, PETG i PLA najbolje rade s žarenjem u pećnici jer je postupak jednostavan i učinkovit. Međutim, ako radite s prozirnim PETG-om, razmislite o pažljivijoj kontroli temperature. Štoviše, trebali biste pažljivo razmotriti veličinu i oblik predmeta kada određujete vrijeme i temperaturu žarenja.

Najbolje prakse i savjeti

Dok je žarenje dobro poznat proces za metalne i brizgane plastične dijelove, njegova je primjena u 3D printanju manje poznata, ali unatoč tome učinkovita. Razumijevanje principa koji stoje iza žarenja i primjena najboljih praksi može dovesti do značajnih poboljšanja kvalitete printa.

Odabir prave temperature i trajanja

Odabir odgovarajuće temperature žarenja ključan je za postizanje optimalnih rezultata. Cilj je postići temperaturu staklenog prijelaza, pri kojoj se molekularna struktura plastike preuređuje bez dostizanja točke taljenja. Različiti materijali imaju različite temperature staklenog prijelaza i ključno je pronaći pravu ravnotežu. Više temperature omogućuju veću čvrstoću, ali mogu dovesti do savijanja i deformacije ako se prekorače. Važno je provesti pokuse kako bi se odredio idealan temperaturni raspon za svaki materijal i prilagoditi vrijeme žarenja u skladu s tim.

Prema Prusa Research, amorfni polimeri, kao što je PLA, imaju širok raspon temperatura (PLA 65 do 170°C) između početka staklenog prijelaza i točke taljenja. Što je viša temperatura, slojevi se više spajaju, čineći materijal jačim. Ali čak i više temperature uzrokuju skupljanje, savijanje i konačno omekšavanje materijala uzrokujući raspadanje materijala. Dakle, da biste dobili najbolje rezultate, pronađite pravu ravnotežu između toga da objekt bude što krući i da zadržite pravu veličinu i oblik. Odgovarajuće vrijeme žarenja ovisi o veličini i obliku materijala. U spomenutom članku možete vidjeti da su njihovi ispitni uzorci grijani u električnoj pećnici 30 minuta.

Izvor: Prusa Research

Savjeti za smanjivanje izobličenja i promjena dimenzija

Za smanjenje izobličenja i promjena dimenzija tijekom žarenja može se koristiti nekoliko tehnika. Prvo provjerite je li print ravnomjerno zagrijan kako biste spriječili ravnomjerno širenje i rezanje. Za dosljedne rezultate preporučuje se pećnica s vrućim zrakom s preciznom kontrolom temperature. Osim toga, odabir materijala s velikom razlikom između temperature staklenog prijelaza i točke taljenja može pomoći u smanjenju problema s izobličenjem. Pažljivo praćenje procesa žarenja i prilagođavanje parametara po potrebi može značajno poboljšati rezultate. Konačno, izvođenje kalibracija i prilagodbi nakon žarenja, kao što je povećanje veličine printa radi kompenzacije skupljanja, može pomoći u održavanju točnosti dimenzija.

Slijeđenjem ovih preporuka i primjenom najbolje prakse možete iskoristiti snagu žarenja za poboljšanje učinkovitosti svojih printeva. Podvrgavanjem printanih materijala kontroliranim ciklusima zagrijavanja i hlađenja može se povećati njihova čvrstoća, trajnost i toplinska otpornost. Bilo da želite izraditi složene funkcionalne dijelove ili poboljšati izvedbu prototipa, vrijedi razmisliti o žarenju kao procesu nakon vašeg 3D printanja.

Žarenje PLA Prime

Žarenje PLA Prime printeva može poboljšati njihovu toplinsku otpornost i strukturni integritet. Međutim, potrebno je paziti da se izbjegne savijanje ili iskrivljenje. Ovo su opće smjernice za žarenje PLA materijala, posebice onih sa 100%-tnom ispunom:

Temperatura

Podešavanje temperature: Preporučena temperatura za PLA Prime je približno 120°C.

Vrijeme

Trajanje: Ovisno o veličini i debljini predmeta, proces žarenja može trajati od 30 minuta do sat vremena. Za 100%-tnu ispunu može biti potrebno dulje vrijeme da se omogući potpuni prijenos topline i regenerira PLA kroz cijeli proizvod. Štoviše, printani proizvodi sa 100%-tnom ispunom osiguravaju minimalno skupljanje.

Proces

Prethodno zagrijte svoju pećnicu: Provjerite je li pećnica prethodno zagrijana na 120°C. Termometar za pećnicu može vam pomoći osigurati da su postavke temperature vaše pećnice točne, budući da temperature pećnice mogu varirati.

Ne preporučujemo korištenje pećnice koja je još uvijek namijenjena za pripremu hrane za žarenje bilo kojeg materijala.

Pripremite objekt: Stavite PLA Prime objekt na lim za pečenje obložen papirom za pečenje ili silikonskom podlogom kako biste spriječili lijepljenje. Neki ljudi stave predmet na podlogu od pijeska ili oko aluminijske folije kako bi pomogli u podupiranju i smanjili mogućnost savijanja.

Vrijeme pečenja: Stavite objekt u pećnicu i pažljivo pratite proces. Počnite s kraćim trajanjem (npr. 30 minuta), posebno za manje ili tanje predmete.

Hlađenje: Nakon žarenja, važno je polagano hladiti objekt kako biste spriječili toplinski udar i savijanje. Možete isključiti pećnicu i ostaviti vrata malo otvorena kako bi se proizvod postupno ohladio zajedno s pećnicom. Ako vam se ne žuri, najbolje ćete rezultate postići ako pećnicu ostavite potpuno zatvorenu dok se hladi.

Savjeti

Testiranje: Ako je moguće, prvo testirajte postupak žarenja na uzorku ili presjeku manje gustoće. To vam može pomoći da odredite najbolje postavke temperature i vremena za svoju pećnicu i objekt bez rizika za skuplji ili veći projekt.

Ventilacija: Osigurajte si dobru ventilaciju u svom radnom prostoru jer zagrijavanje PLA može ispuštati pare.

Očekujte promjene dimenzija: Žarenje može uzrokovati skupljanje ili blago savijanje PLA predmeta zbog toplinske obrade. To treba uzeti u obzir za precizne dijelove ili gdje su dimenzije kritične.

Zapamtite, rezultati žarenja mogu uvelike varirati ovisno o geometriji predmeta i specifičnim karakteristikama pećnice. Eksperimentiranje na kontrolirani način ključno je za pronalaženje optimalnog procesa za vašu specifičnu situaciju.

Često postavljana pitanja

Koja je svrha žarenja?

Svrha žarenja je poboljšati fizikalna i mehanička svojstva materijala, poput čvrstoće, trajnosti i temperaturne otpornosti, podvrgavanjem kontroliranim ciklusima zagrijavanja i hlađenja.

Kako žarenje utječe na 3D printeve?

Žarenjem se poboljšavaju mehanička svojstva 3D printa. Daje veću vlačnu čvrstoću, veću krutost i veću otpornost na toplinu.

Je li žarenje potrebno?

Iako žarenje može poboljšati mehanička svojstva vaših printeva, ono nije potrebno.

Koje su tri faze žarenja?

Proces žarenja se sastoji od tri faze kako temperatura materijala raste: obnavljanje, rekristalizacija i rast zrna.