PLA hittebestendig maken

Warmtebehandeling hittebestendige PLA.

PLA filament is erg makkelijk te printen en geeft mooie strakke resultaten. Helaas heeft PLA ook een vervelende eigenschap en dat is, dat er vervorming op treedt wanneer de print een temperatuur bereikt van boven de 55°C. Boven deze temperatuur wordt de print zacht en zal vervormen door interne spanningen in het materiaal.

De PLA van Bandit 3D Filament is na het printen zo te behandelen, dat deze een temperatuur aan kan van boven de 100°C. In dit stukje wil ik laten zien, hoe je deze warmtebehandeling uit kunt voeren, maar ook wat inhoudelijke technische informatie geven

Theorie

Water kent 3 zg. aggregatie toestanden (ook wel fysische staat), vast, vloeibaar en damp. Thermoplasten, de kunststoffen die geschikt zijn om mee te printen hebben nog een extra aggregatie toestand. Bij opwarmen van vast naar vloeibaar kent de kunststof nog een toestand, namelijk de glasfase. In deze fase is het plastic vervormbaar, maar vloeit niet. Wanneer je het plastic weer afkoelt tot onder “glas overgangs temperatuur”, blijft het in de zelfde vorm als waar je het in gebracht hebt. Bij het printen van PLA heb je te maken met de volgende fasen:

• Vloeibaar: de PLA moleculen bevinden zich in de volledig amorfe toestand en kunnen onafhankelijk van elkaar bewegen [figuur 1].

•  Glasfase: Er vormt zich een semi kristallijne structuur, een deel van de moleculen blijven in de amorfe toestand en er zullen zich kristallen vormen [figuur 2]. Hoe langer de PLA in deze fase blijft, hoe meer kristallen gevormd worden tot er een evenwichtstoestand ontstaat.
•  Vast: De beweeglijkheid van de moleculen is tot een minimum gekomen. Er worden geen kristallen meer gevormd. De temperatuur waarbij de PLA ‘vast’ wordt, wordt de glasovergangstemperatuur genoemd.

fig. 1: Amorf	fig. 2: kristallijn	fig. 3: schaal met zand	fig. 4: motorkap na warmte behandeling

In de glasfase worden kristallen gevormd, doordat delen van de zogenaamde ‘lineaire moleculen’ zodanig langs elkaar komen te liggen, dat deze min of meer een vast blokje gaan vormen. Hoe meer van deze kristallen in de PLA komen te zitten, hoe minder beweeglijk de PLA wordt en hoe minder temperatuurgevoelig het uiteindelijke product wordt.

Bij de standaard PLA-filamenten die op de markt zijn worden tijdens de warmtebehandeling onvoldoende kristallen gevormd.  Hierdoor zal de stijfheid die wij in ons model wensen, in de glasfase onvoldoende zijn om vervorming tegen te gaan bij hogere temperaturen.

Print hittebestendig maken

Voor de NVM, Nederlandse vereniging van modelbouwers en natuurlijk voor mij zelf, heb ik een proef gedaan om een werkende manier te vinden om een print hittebestendig te maken. Deze beschrijf ik hieronder:

Van thingiverse (www.thingiverse.com)  heb ik een model van een truck gedownload (www.thingiverse.com/thing:2824207) en hiervan alleen de motorkap uitgeprint. Deze heb ik geprint op een Cubicon Style printer, resolutie 0.15 mm.  Gebruikt zijn de voor PLA normale parameters: nozzle-temperatuur  215 0C, printbed op 60°C.

Om de print in de goede vorm te houden tijdens de warmtebehandeling heb ik een ovenschaal voor ongeveer de helft gevuld met zilverzand. Vervolgens heb ik de print hierin gedrukt en de ovenschaal verder aangevuld met zilverzand, met behulp van wat water goed alle hoeken en gaten van de print gevuld. De schaal zover aangevuld dat de omgekeerde deksel als gewicht fungeerde om enige druk op het zand te houden. (figuur 3)

Vervolgens heb ik de ovenschaal in de oven gezet. De oven ingesteld op 90°C (niet hoger zodat het water dat in de schaal zit niet aan de kook raakt) en de oven gedurende 6 uur op deze temperatuur gehouden. Na deze 6 uur is de oven uitgezet en is de schaal langzaam afgekoeld.

Om te testen of de print inderdaad bestand was tegen de temperatuur van 100°C is deze in kokend heet water gelegd. Het resultaat was, dat de print mooi hard bleef en wat belangrijker is, zijn oorspronkelijke vorm behield. (figuur 4.)

Conclusie.

Het PLA dat wij leveren is hittebestendig te maken met behulp van een warmtebehandeling. Niet alleen voor dikwandige producten, maar ook voor producten met een zeer dunne wand, zoals onder andere veel bij modelbouw voor komt. Of de hier beschreven methode de enig juiste is, verwacht ik niet. Waarschijnlijk zijn er nog betere, snellere en mooiere methoden.
Interessant zou zijn om uit te zoeken wat nu de meest ideale temperatuur zou zijn en de daarbij behorende verwarmingstijd.
Onthoud dit:

• - hoe meer kristallisatie op treedt, hoe beter bestand tegen hoge temperatuur.
• - Hoe hoger de temperatuur, hoe sneller de kristallen gevormd worden maar hoe zachter het materiaal is
• - Hoe langer op hoge temperatuur hoe meer kristallen gevormd worden (tot de evenwichts situatie)