Odporność temperaturowa materiałów do druku 3D — Tg, HDT i Vicat w praktyce

Temperatura zeszklenia (Tg)

Temperatura zeszklenia to zakres, w którym tworzywo przechodzi ze stanu szklistego, twardego, w stan elastyczny, gumowaty. Dla tworzyw amorficznych, takich jak PETG, ASA czy poliwęglan, to praktyczna granica: powyżej Tg część traci sztywność i zaczyna się odkształcać pod własnym ciężarem lub niewielkim obciążeniem. Producenci mierzą Tg metodą DSC, czyli różnicową kalorymetrią skaningową, i podają ją w karcie technicznej.

W tworzywach półkrystalicznych, takich jak PLA po wyżarzeniu czy poliamidy, część struktury tworzą kryształy, które mięknąć zaczynają dopiero blisko temperatury topnienia. Dlatego karta poliamidu PA12 z włóknem węglowym może podawać Tg około 55 °C, a jednocześnie temperaturę ugięcia pod obciążeniem powyżej 100 °C. Samo Tg nie wystarcza więc do oceny półkrystalicznego materiału; trzeba spojrzeć także na HDT i temperaturę topnienia, w tej karcie około 171 °C.

HDT i Vicat: co dokładnie mierzą

HDT, temperatura ugięcia pod obciążeniem, powstaje w teście według ISO 75 lub ASTM D648. Belkę z tworzywa podpiera się na dwóch podporach i obciąża pośrodku tak, by naprężenie wynosiło 0,45 MPa albo 1,8 MPa. Temperatura rośnie o 2 °C na minutę, a wynikiem jest temperatura, przy której próbka ugnie się o 0,25 mm. Przy mniejszym obciążeniu, 0,45 MPa, wynik wychodzi wyższy niż przy 1,8 MPa, czasem o kilka, a czasem o kilkadziesiąt stopni, co widać w tabeli niżej. Dlatego przy porównaniach trzeba sprawdzać, które obciążenie podano.

Temperatura mięknienia Vicata według ISO 306 lub ASTM D1525 to temperatura, w której płaska igła o przekroju 1 mm² wciśnie się w próbkę na głębokość 1 mm. Stosuje się obciążenie 10 N albo 50 N i nagrzewanie 50 lub 120 °C na godzinę. W przytoczonych niżej kartach Vicat wychodzi wyżej niż HDT, co wynika z innej zasady pomiaru: test sprawdza lokalne wgniecenie igłą, a nie ugięcie całej obciążonej belki. Dla części konstrukcyjnych bardziej miarodajne jest więc HDT.

Porównanie materiałów: orientacyjne temperatury

Poniższa tabela zestawia wartości z kart technicznych jednego producenta, Polymaker, badanych tymi samymi metodami na próbkach drukowanych. Inne marki tych samych tworzyw mogą mieć wartości wyższe lub niższe o kilka do kilkunastu stopni, więc traktuj je jako orientację, a nie dane materiałów używanych w Fabrix3D.

Z tabeli wynika prosta kolejność. PLA nadaje się do suchych, chłodnych wnętrz i nie powinno trafiać do nagrzewającego się auta ani na parapet w pełnym słońcu. PETG daje kilkanaście stopni zapasu więcej, a ASA jeszcze więcej, łącząc to z odpornością na promieniowanie UV. Wybór między tymi dwoma opisuje porównanie PETG czy ASA. Dla PA12 CF wartości z karty innego producenta ilustrują tylko typ materiału. Części do aut i warsztatu omawia poradnik Druk 3D w motoryzacji i warsztacie.

Przy porównaniach warto też czytać przypisy. W karcie PA12 z włóknem węglowym producent zaznacza, że wszystkie próbki przed badaniem wyżarzano w 100 °C przez 16 godzin, czyli podane HDT dotyczy materiału po obróbce cieplnej, a nie prosto z drukarki. W karcie HT-PLA podano z kolei obie wersje, przed wyżarzaniem i po nim, co pozwala ocenić, ile daje sama obróbka. Jeśli karta nie mówi, w jakim stanie badano próbki, porównanie z innym materiałem jest mniej pewne.

Pełzanie: dlaczego część mięknie poniżej temperatury z karty

Test HDT trwa krótko: temperatura rośnie stale, a obciążenie działa tylko przez czas pomiaru. Część w użyciu bywa obciążona przez tygodnie. Tworzywa pełzną, czyli pod stałym naprężeniem powoli odkształcają się z upływem czasu, i według opisu tego zjawiska mogą pełznąć już w temperaturze pokojowej. Wraz ze wzrostem temperatury pełzanie przyspiesza, a powyżej pewnego progu naprężenia rośnie znacznie szybciej.

W praktyce oznacza to, że uchwyt z PETG, który przez lato dźwiga ciężar w ciepłym pomieszczeniu technicznym, może się powoli wygiąć, mimo że temperatura nie zbliżyła się do HDT z karty. Dlatego przy częściach obciążonych w cieple zostawia się wyraźny zapas temperatury, zwiększa przekroje i liczbę obrysów albo wybiera materiał o wyższej odporności. Na sztywność wpływa też wypełnienie, opisane na stronie typy wypełnienia.

Wyżarzanie PLA i nylonu: zysk i koszt

Wyżarzanie to wygrzewanie gotowego wydruku w temperaturze poniżej topnienia. W materiałach półkrystalicznych pozwala dokończyć krystalizację, która w trakcie szybkiego stygnięcia nie zdążyła zajść. Efekt potrafi być duży: w karcie odmiany HT-PLA temperatura ugięcia przy 0,45 MPa rośnie po wyżarzaniu z około 61 °C do około 107 °C, a przy 1,8 MPa z około 59 °C do około 72 °C. Producent nylonów zaleca ich wyżarzanie zwykle w zakresie 80–100 °C przez 6–16 godzin.

Wyżarzanie ma jednak koszt. Uwalniane naprężenia i dokończona krystalizacja mogą zmienić wymiary: producent zaznacza, że wyżarzanie nylonu lekko zmniejsza część, a przy innych materiałach półkrystalicznych nie podaje ustawień właśnie z powodu ryzyka deformacji. Cienkie ścianki wyginają się łatwiej, dlatego producent odsyła do osobnych wskazówek, jak zapobiegać deformacji podczas wygrzewania. Spada też wydłużenie przy zerwaniu: w karcie HT-PLA z około 2,8% do około 1,9% w kierunku warstw, więc część jest bardziej krucha. Materiały amorficzne, takie jak PETG czy ASA, według producenta zyskują na wyżarzaniu niewiele poza zmniejszeniem naprężeń własnych.

Wniosek dla zamawiającego: jeśli część ma pracować w cieple, zwykle prościej i pewniej jest wybrać materiał o wyższej odporności niż liczyć na wyżarzenie PLA, które zmienia wymiary w trudny do przewidzenia sposób.

Jak dobrać materiał do ciepłego miejsca pracy

• Ustal najwyższą temperaturę, jaką część może osiągnąć, a nie średnią. Ciemny element w słońcu albo przy silniku nagrzewa się mocniej niż powietrze wokół.
• Sprawdź, czy część jest obciążona. Elementy dociśnięte śrubą, sprężyną lub ciężarem potrzebują większego zapasu niż swobodne osłony.
• Porównuj HDT przy tym samym obciążeniu i z tej samej normy. Wartości przy 0,45 MPa i 1,8 MPa nie są wymienne.
• Uwzględnij geometrię. Według producenta filamentów cienkie, lekkie wydruki tracą kształt w cieple szybciej niż masywne bryły z tego samego materiału.

Jeśli nie masz pewności, opisz temperaturę i obciążenie w uwagach technicznych w wycenie online. Dla części, które mają pracować na granicy możliwości tworzywa, najpierw zamów jedną sztukę i sprawdź ją w rzeczywistym miejscu pracy.