Kaj je žarjenje: Izboljšajte svoje 3D tiske

Vsak, ki se ukvarja s praktičnim 3D tiskanjem, je najbrž občutil potrebo po optimizaciji svojih 3D tiskov in izboljšanju njihovih mehanskih lastnosti. Obstaja več načinov za optimizacijo, kot so eksperimentiranje z več različnimi industrijskimi materiali, ali pa nastavitvami tiskanja. Težava se pojavi pri dejstvu, da so te možnosti precej drage ali pa ne zagotovijo želenega rezultata. Morda se na tej točki sprašujete, ali obstaja način za brezplačno izboljšanje vaših izdelkov, ki vam ne bo vzel dragocenega časa. Naj vam povemo, da je skrb odveč! Obstaja način in imenuje se žarjenje.

Razumevanje žarjenja

Definicija žarjenja v kontekstu 3D tiskanja

Koncept žarjenja izvira iz metalurgije, uporabna praksa pa je postalo predvsem zaradi izboljšanja duktilnosti in moči jekla. Med žarjenjem se natančno upravlja s temperaturo in stopnjo hlajenja, kar posledično optimizira splošno učinkovitost predmeta.

Podobno lahko žarjenje pri 3D tiskanju znatno poveča mehanske lastnosti predmetov. Gre za postopek, ki vključuje segrevanje predmeta in nato ohlajanje v nadzorovanem okolju. Ta pristop zmanjša notranjo napetost v materialu, kar zagotavlja močnejši izdelek, ki je bolj odporen na temperaturo.

Vpliv na značilnosti materiala

Žarjenje deluje preko mehanizma kristalov, ki proizvaja nasprotne učinke na kovine in polimere. Poglejmo si primer, kako poteka proces žarjenja na materialu kot je PLA. V tem primeru proces žarjenja vključuje segrevanje materiala do temperatur nad njegovo temperaturo posteklenitve, zaradi česar se polimerne verige preuredijo v pozitivno nabite oblike, znane kot kristalna območja. Ta območja povečajo mehansko trdnost, temperaturno odpornost in kemično stabilnost površine polimerov.

Vir: Prusa Research

Kristalna območja, oblikovana v polimerih torej zagotavljajo trdoto in prožnost, za razliko od kovin, katerim lahko žarjenje izboljša duktilnost. Te kristalne strukture nastanejo s procesi nukleacije in rasti, kjer temperatura vpliva na ravnovesje obeh komponent.

Koristi žarjenja za vaše 3D tiske

Izboljšana mehanska trdnost in vzdržljivost

V kolikor so 3D natisnjeni deli pravilno žarjeni, je stopnja krčenja ali zvijanja minimalna, hkrati pa dosežejo znatno povečanje mehanskih lastnosti. Postopek žarjenja lahko poveča upogibno trdnost in togost, zaradi česar so žarjeni deli zelo odporni na mehanske obremenitve in udarce. Na Univerzi v Groningenu so naprimer izvedli postopek žarjenja na Carbon Fiber PET filamentu pri 120 °C, kar je povzročilo 18,5-odstotno povečanje upogibne trdnosti. Poleg tega žarjenje izboljša odpornost materialov na vročino nad njihovo temperaturo posteklenitve (TG), zaradi česar postanejo močnejši in vzdržljivejši.

Izboljšana temperaturna odpornost in stabilnost

Akademiki strokovne revije Polymers so z žarjenjem testirali vzorce čistega ABS pri temperaturah od 105 °C do 175 °C. S tem so želeli izboljšati diferencialno natezno trdnost do 4 ure pri optimalnih pogojih žarjenja 105 °C z natezno trdnostjo približno 6,31 % v primerjavi z neobdelanimi vzorci. Poleg tega žarjenje omogoča minimalno spremembno oblike natisnjenih delov čez čas, zato so taki deli stabilnejši.

Zmanjšanje notranjih napetosti in zvijanja

Glavna prednost žarjenja je, da lahko istočasno zmanjša notranjo napetost, poroznost in upogibanje v 3D natisnjenih delih. S tem se izboljša medplastni oprijem in pa celotna strukturna integriteta. Ta metoda naknadne obdelave zmanjšuje krčenje in zvijanje ter odpravlja preostale napetosti v materialu. Pri žarjenju je pomembno upoštevati, da lahko visoke temperature segrevanja povzročijo tudi nekaj poslabšanja določenih lastnosti in površinsko oksidacijo. To velja zlasti pri materialu, kot je PET-CF. Da se izognemo težavam, je skrbna izbira temperature žarjenja na podlagi želenih lastnosti končnega izdelka zelo pomembna. S tem namreč zmanjšamo upogibanje in izboljšamo mehanske lastnosti.

Žarjenje različnih materialov

Žarjenje se je izkazalo za zelo učinkovito pri materialih, kot sta PLA in PETG, za materiale kot sta ASA in ABS pa prinaša nekoliko manjše koristi zaradi deformacij in popačenja predmetov. Kljub morebitnim izzivom pa prednosti te izboljšane opreme odtehtajo morebitne pomanjkljivosti.

Metode in tehnike žarjenja

Za izboljšanje lastnosti 3D tiskov obstajajo različne metode in tehnike žarjenja. Poznamo žarjenje v peščeni ali solni kopeli, žarjenje v pečici in žarjenje pod vodo. Pri žarjenju v peščeni ali solni kopeli se natisnjeni predmet potopi v segreto kopel peska ali soli. S tem se doseže enakomerno segrevanje in nadzorovano ohlajanje. Pri žarjenju v pečici predmet postavimo v pečico in segrejemo na želeno temperaturo za določen čas. Žarjenje pod vodo pa vključuje potopitev predmeta v ogrevano vodo, da dosežemo enakomerno segrevanje in hlajenje. Vsaka tehnika ponuja edinstvene prednosti, izbira primerne pa je odvisna od različnih vrst materialov ter želenih rezultatov.

Izbira ustrezne metode

Pri odločanju o tem katera metoda žarjenja je najbolj ustrezna za vas upoštevajte naslednje dejavnike:

• vrsta uporabljenega materiala,
• želene lastnosti končnega izdelka,
• in praktične vidike, kot sta razpoložljivost in varnost opreme.

Najpogosteje uporabljena in najlažja metoda je žarjenje v pečici. Ta metoda je popularna predvsem za žarjenje PETG in PLA, saj za te materiale prinaša najboljše rezulate, poleg tega pa je postopek preprost in učinkovit. V kolikor delate s prozornim PETG vam priporočamo, da natančneje nadzirate temperaturo. Nazadnje, pri določanju časa in temperature žarjenja ne pozabite skrbno upoštevati velikosti in oblike izdelka.

Najboljše prakse in nasveti

Žarjenje je dobro poznan postopek pri naknadni obdelavi kovinskih delov ter delov iz vbrizgane plastike, uporaba v 3D tiskanju pa je manj priznana, a kljub temu učinkovita. Z žarjenjem lahko pridete do znatnih izboljšav v kakovosti tiska, v kolikor razumete načela postopka ter najboljše prakse.

Izbira ustrezne temperature ter časa

Za doseganje optimalnih rezultatov je ključnega pomena izbira ustrezne temperature žarjenja. Cilj je doseči temperaturo posteklenitve, kjer se molekularna struktura plastike preuredi, ne da bi dosegla tališče. Različni materiali imajo različne temperature posteklenitve, zato je nujno najti pravo ravnovesje. Višje temperature sicer omogočajo večjo trdnost, vendar lahko povzročijo zvijanje in deformacijo, če jih presežete. Pomembno je izvajati poskuse, s katerimi lahko določite idealno temperaturno območje za vsak material in ustrezno prilagodite čas žarjenja.

Po podatkih Prusa Research imajo amorfni polimeri, kot je PLA, med začetkom posteklenitve in tališčem širok razpon temperatur (PLA od 65 do 170 °C). Višja kot je temperatura, bolj se plasti stopijo, zaradi česar je material močnejši. Hkrati pa lahko višje temperature povzročijo tudi skrčenje, zvijanje in zmehčanje materiala, zaradi česar lahko predmet razpade. Da bi dosegli najboljše rezultate poskrbite za ravnotežje med ohranjanjem maksimalne togosti predmeta ter pravo velikostjo in obliko. Ustrezen čas žarjenja je odvisen od velikosti in oblike materiala. V omenjenem članku lahko ugotovite, da so svoje testne vzorce segrevali v električni pečici 30 minut.

Vir: Prusa Research

Nasveti za zmanjšanje popačenj in dimenzijskih sprememb

Za zmanjšanje popačenja in dimenzijskih sprememb med žarjenjem je mogoče uporabiti več tehnik. Najprej se prepričajte, da je predmet enakomerno segret, saj s tem preprečite širjenje in rezanje. Nato vam za dosledne rezultate priporočamo uporabo vročozračne pečice z natančnim nadzorom temperature. Poleg tega lahko pri zmanjšanju težav z izkrivljanjem pomaga izbira materialov z veliko razliko med temperaturo posteklenitve in temperaturo tališča. Vedno skrbno spremljajte proces žarjenja in prilagajajte parametre po potrebi, saj si lahko s tem bistveno izboljšate rezultate. Za ohranjanje dimenzijske natančnosti izvajate tudi kalibracije in prilagoditve po žarjenju, kot so povečanje velikosti predmetov za kompenzacijo krčenja.

Z upoštevanjem teh priporočil in izvajanjem najboljših praks lahko izkoristite pravi potencial in moč žarjenja za izboljšanje učinkovitosti vaših tiskov. Z izpostavljanjem tiskanih materialov nadzorovanim ciklom segrevanja in ohlajanja je mogoče povečati njihovo trdnost, vzdržljivost in temperaturno odpornost. Ne glede na to, ali želite ustvariti zapletene funkcionalne dele, ali izboljšati delovanje svojega prototipa – vredno je razmisliti o žarjenju kot postopku naknadne obdelave na vaših 3D tiskih.

Žarjenje PLA Prime

Žarjenje predmetov natisnjenih s PLA Prime lahko izboljša njihovo toplotno odpornost in strukturno integriteto, vendar morate paziti na deformacijo ali popačenje. Spodaj je nekaj splošnih smernic za žarjenje PLA materialov, zlasti tistih s 100 % polnilom:

Temperatura

Nastavitev temperature: Priporočena temperatura za PLA Prime je približno 120 °C.

Čas

Trajanje: Odvisno od velikosti in debeline predmeta lahko postopek žarjenja traja od 30 minut do ene ure. Za 100 % polnilo bo morda potreben daljši čas za popoln prenos toplote in regeneracijo PLA v celotnem izdelku. Poleg tega tiskani izdelki s 100 % polnilom zagotavljajo minimalno krčenje.

Postopek

Predgrejte pečico: Prepričajte se, da je bila vaša pečica predhodno ogreta na 120 °C. Pri zagotavljanju točne temperature vam lahko pomaga termometer, saj se lahko temperature pečice razlikujejo.
Za žarjenje materiala ne priporočamo pečice, ki je še vedno namenjena za pripravo hrane.

Pripravite predmet: Predmet iz PLA Prime položite na pekač, obložen s pergamentnim papirjem ali silikonsko podlogo, saj tako preprečite prijemanje. Nekateri ljudje položijo predmet na pesek ali okoli aluminijaste folije, s čimer si pomagajo pri podpori in zmanjšajo možnost zvijanja.

Čas pečenja: Predmet postavite v pečico in pozorno spremljajte proces. Začnite s krajšim trajanjem (npr. 30 minut), zlasti za manjše ali tanjše predmete.

Ohlajanje: Po žarjenju je pomembno, da predmet počasi ohladite, saj tako preprečite toplotni šok in zvijanje. Pečico lahko izklopite in pustite vrata rahlo odprta, da se izdelek postopoma ohladi skupaj s pečico. Če se vam ne mudi, boste najboljše rezultate dosegli s tem, da pečico med ohlajanjem pustite popolnoma zaprto.

Nasveti

Testiranje: Če imate možnost, postopek žarjenja najprej preskusite na manj gostem vzorcu ali odseku. To vam lahko pomaga določiti najboljše nastavitve temperature in časa za vašo pečico in predmet ne da bi tvegali dražji ali večji projekt.

Prezračevanje: Poskrbite za dobro prezračevanje vašega delovnega prostora, saj lahko segrevanje PLA sprošča hlape.

Pričakujte dimenzijske spremembe: Žarjenje lahko povzroči, da se predmeti iz PLA zaradi toplotne obdelave nekoliko skrčijo ali zvijejo. To je potrebno upoštevati predvsem pri izdelavi natančnih delov ali delov, kjer so dimenzije kritičnega pomena.

Ne pozabite, da se lahko rezultati žarjenja močno razlikujejo glede na geometrijo predmeta in posebne značilnosti pečice. Eksperimentiranje na nadzorovan način je ključnega pomena za iskanje optimalnega postopka za vašo specifično situacijo.

Pogosto zastavljena vprašanja

Kaj je namen žarjenja?

Namen žarjenja je izboljšati fizikalne in mehanske lastnosti materialov, kot so trdnost, vzdržljivost in temperaturna odpornost. To dosežete tako, da predmete izpostavite nadzorovanim ciklom segrevanja in ohlajanja.

Kako žarjenje vpliva na 3D tiske?

Žarjenje izboljša mehanske lastnosti 3D tiska. Tisku daje večjo natezno trdnost, večjo togost in večjo temperaturno odpornost.

Ali je žarjenje potrebno?

Četudi lahko žarjenje izboljša mehanske lastnosti vaših odtisov, ni potrebno.

Katere so 3 stopnje žarjenja?

Postopek žarjenja je sestavljen iz treh stopenj, ki sledijo dvigu temperature materiala: okrevanje, rekristalizacija in rast zrn.