3D打印PLA退火的2種簡單方法

魔猴君  知識(shí)堂   269天前

熱處理是通常用于改變材料物理或化學(xué)性質(zhì)的后處理技術(shù)。

退火就是這樣一種處理方法，您可能在3D打印背景下聽說過它。據(jù)說可以讓3D打印零件性能更好，但這個(gè)過程到底是如何運(yùn)作的，以及用PLA可以實(shí)現(xiàn)什么？

在本文中，魔猴網(wǎng)將和大家一起學(xué)習(xí)退火的工作原理，并描述一些您可以在家嘗試的程序。

一、什么是退火？

110°C退火的普通和PLA的顯微鏡圖像（來源：Prusa Research）

退火是一種熱處理，用于增加金屬的延展性并使零件更容易加工。這是通過將材料加熱到低于其熔點(diǎn)但高于其重結(jié)晶溫度的最佳點(diǎn)來完成的。

當(dāng)金屬被鑄造或成型時(shí)，被稱為“晶粒”的微小晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成了材料的微觀結(jié)構(gòu)。晶粒越小，材料越硬、越脆。較大的顆粒會(huì)降低硬度并增加延展性，使其更易于處理。

金屬的退火過程包括將材料加熱到允許晶粒再結(jié)晶并長大的溫度。材料在此溫度下停留的時(shí)間越長，其結(jié)構(gòu)改變的能力就越大。

塑料退火和3D打印

雖然退火主要針對(duì)金屬，但類似的工藝也用于塑料，以減少注塑零件的內(nèi)應(yīng)力。這是通過將塑料部件加熱到熔點(diǎn)以下以使材料松弛和重組來完成的。

但3D打印的情況有些不同。塑料的微觀結(jié)構(gòu)介于無定形（完全無序）和高度結(jié)晶之間。晶體結(jié)構(gòu)具有更堅(jiān)固的機(jī)械性能。半結(jié)晶材料，如PLA或PETG，同時(shí)包含非晶區(qū)和結(jié)晶區(qū)，盡管其比例取決于它們的熱歷史。

3D打印過程中材料的快速加熱和冷卻會(huì)增加非晶態(tài)部分。對(duì)3D打印部件進(jìn)行退火可以使它們重新排列分子鏈并生長結(jié)晶區(qū)域。與金屬退火一樣，這可以提供更堅(jiān)固的機(jī)械性能。退火過程中發(fā)生的輕微熔化使各層熔合在一起，消除了打印部件的這些薄弱環(huán)節(jié)。

二、退火PLA

退火使您打印的PLA具有更好的耐熱性-進(jìn)行測試?。▉碓矗簛碜訲hingiverse的朋克客）

PLA是3D打印最常用的材料之一。它相當(dāng)容易打印，并且即使有點(diǎn)脆，也具有良好的機(jī)械強(qiáng)度。然而，與其他3D打印材料相比，它的熔化溫度確實(shí)相對(duì)較低。

這些特性使PLA成為退火的完美選擇。事實(shí)上，多項(xiàng)研究確實(shí)證明了PLA退火后處理的機(jī)械性能得到了改善。

在材料強(qiáng)度方面，測試表明，退火后的PLA零件的強(qiáng)度提高了10%至20%，并且通常脆性較小。在耐溫性方面，與其他3D打印退火材料相比，退火PLA也顯示出良好的結(jié)果。

缺點(diǎn)

PLA退火的主要缺點(diǎn)是尺寸變化。不同溫度下的測試表明，即使在70℃等較低溫度下，PLA也會(huì)發(fā)生顯著變化，而較高溫度（110-170℃）會(huì)導(dǎo)致翹曲甚至完全熔化。

因此，最終，對(duì)3D打印PLA進(jìn)行退火是更好的材料性能和尺寸或形狀精度之間的折衷方案。

三、總體提示

退火后的PLA零件會(huì)發(fā)生一些尺寸變化（來源：mdk6502，來自Reddit）

在接下來的部分中，我們將介紹一些無需工業(yè)級(jí)設(shè)備即可對(duì)PLA進(jìn)行退火的程序。

使用100%填充打印的部件：部件越密，它們抵抗翹曲和尺寸變化的能力就越好。雖然100%填充打印的情況并不常見，但這在PLA退火時(shí)肯定會(huì)得到回報(bào)。

確保零件盡可能干凈：在退火之前，清除零件上的任何拉絲、邊緣和支架上的碎片以及零件上殘留的粘合劑。

使用專用的烤箱溫度計(jì)：盡管許多現(xiàn)代烤箱都有內(nèi)置溫度計(jì)，但它們可能非常不準(zhǔn)確。對(duì)于烘烤來說，5°C甚至10°C可能并不那么重要，但在對(duì)塑料部件進(jìn)行退火時(shí)，每一度都很重要，尤其是對(duì)于PLA等溫度敏感材料。

讓烤箱內(nèi)部溫度均勻：烤箱達(dá)到所需溫度后，等待至少30分鐘，然后再插入零件。

做好尺寸不準(zhǔn)確的準(zhǔn)備：即使成功，PLA退火也可能會(huì)扭曲、變形，或者至少會(huì)改變零件的整體尺寸，因此請(qǐng)注意。

如果可能，請(qǐng)使用電烤箱：雖然您可以使用燃?xì)饪鞠?，但?qǐng)記住，它們的精確度較低，并且在加熱時(shí)會(huì)超出溫度。如果您只有燃?xì)饪鞠洌瑒t必須使用溫度計(jì)。

PLA的理想退火溫度可能因燈絲品牌而異。一般來說，PLA的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為60-65℃，熔融溫度為180℃左右。因此，第一次試驗(yàn)嘗試在60°C左右開始。如果您的零件最終看起來沒有變化，請(qǐng)將目標(biāo)溫度提高5°C，直到獲得所需的結(jié)果。

四、兩種退火方法

1、沙子

退火過程中砂子的壓力可以防止翹曲等缺陷（來源：goliatskipson via Reddit）

第一種也是最準(zhǔn)確的方法需要一些沙子以確保熱量均勻分布在所有零件表面上。埋在沙子里的零件也受益于一些機(jī)械支撐，以防止太多的物理變形。

如果您手頭沒有沙子，您也可以嘗試使用鹽進(jìn)行相同的方法。最好使用細(xì)磨的鹽，否則大的鹽晶體可能會(huì)在零件表面留下凹坑。請(qǐng)務(wù)必將其緊緊包裹以獲得最佳效果。

對(duì)于此過程，我們將溫度設(shè)置為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近，以盡量減少變形。建議從較低的溫度開始，如果成功，則為其他批次的零件提高溫度。只是不要過度，否則您可能會(huì)得到嵌入沙子的印花。

將烤箱加熱至60°C，然后等待至少30分鐘。

當(dāng)烤箱加熱時(shí)，準(zhǔn)備一個(gè)足夠大、足夠深的烤箱安全容器，以適合您的零件，并在其中填充沙子。將部件完全埋起來，并在每個(gè)部件與容器邊緣和底部之間留出至少5毫米的空間。

將裝有沙子和零件的容器放入烤箱中，然后放置一小時(shí)。

完成后，取出容器并使其在室溫下冷卻，而不要從沙子中取出零件。

一旦一切都冷卻下來，您就可以將退火的部件從容器中取出。

2、直接烤箱內(nèi)完成

無論您選擇哪種路徑，請(qǐng)注意溫度和計(jì)時(shí)器?。▉碓矗?/span>pyyoer，來自Reddit）

您可以嘗試直接在預(yù)熱（但關(guān)閉）的烤箱中對(duì)零件進(jìn)行退火，而不是使用沙子或鹽的方法。如果您的燃?xì)饪鞠錈o法保持一致的溫度，這是一個(gè)很好的方法。由于不涉及沙子，您只需將零件放入任何類型的烤箱安全容器中即可。

這里的部件在烤箱內(nèi)而不是外部冷卻。由于零件只會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，因此您可能無法像第一種方法那樣實(shí)現(xiàn)完全退火。然而，從高溫逐漸冷卻將避免內(nèi)應(yīng)力的形成并減少翹曲。

將烤箱加熱至60°C，然后保持該溫度至少30分鐘。

將3D打印零件放在烤箱安全的表面上，然后將其放入內(nèi)部。立即關(guān)閉烤箱及其內(nèi)部的所有加熱元件。

將打印件留在烤箱中直至冷卻。

還有另一種簡易退火方式

在熱水中對(duì)PLA零件進(jìn)行退火時(shí)控制溫度可能很困難（來源：Justin Lam）

如果無法使用烤箱，還有另一種方法可用，盡管它遠(yuǎn)非理想。這些部件不是直接向部件提供熱量，而是浸入熱水中。雖然這個(gè)過程在理論上應(yīng)該有效，但結(jié)果并不一致，并且在網(wǎng)上可以找到很少的實(shí)際有效的示例。

這個(gè)想法是將3D打印部件放入密封的塑料袋（最好是真空密封的塑料袋）中，并將其放在水下進(jìn)行退火。雖然滴入一點(diǎn)水可能不會(huì)影響機(jī)械變化，但它可以改變印刷品的外觀。這種方法乍一聽似乎是個(gè)好主意，但控制水溫是棘手的一點(diǎn)。

像真空低溫烹調(diào)機(jī)這樣的慢速烹飪?cè)O(shè)備非常適合將水保持在合適的溫度，可能值得一試。

來源：ALL3DP