Temperaturas de transição de vidro de filamento 3D

Neste artigo, falarei sobre o que é a transição vítrea, as temperaturas em que os tipos de filamentos mais comuns atingem esse estado de transição vítrea, bem como suas temperaturas de fusão, que definitivamente não são as mesmas, como atingir uma temperatura de transição vítrea mais alta em modelos impressos em 3D que foram impressos com um filamento com baixa temperatura de transição vítrea (como PLA), e muito mais!

Então, sem mais delongas, vamos direto ao assunto!

O que é temperatura de transição vítrea?

Em química, a temperatura de transição vítrea (Tg) é a temperatura na qual um material sofre uma transição de um estado rígido e cristalino para um estado amorfo vítreo. Em outras palavras, a temperatura de transição vítrea é a temperatura na qual um sólido muda suas propriedades físicas das de um sólido cristalino duro para as de um sólido amorfo (estado de borracha).

A temperatura de transição vítrea é a temperatura pela qual o movimento molecular é essencialmente congelado. É um resultado direto da força das forças atrativas intermoleculares como as forças de Van der Waal.

As forças de Van der Waal são devidas ao acúmulo de elétrons nas moléculas. Se houver muita energia térmica, as forças atrativas entre as moléculas são destruídas e ocorre a temperatura de transição vítrea.

Para aqueles que não falam “Química”:a temperatura de transição vítrea de um material é a temperatura na qual ele muda de um sólido duro, um pouco quebradiço, para um material mais macio e um pouco emborrachado / pegajoso. Não quero dizer 'pegajoso' no sentido de chiclete ou xarope, apenas que você pode espremer, mas sem rachar ou quebrar nada.

Transição de vidro e temperaturas de fusão de filamentos 3D

Filamento	Temperatura do bico	Temperatura de transição de vidro Tg (C)	Temperatura de fusão Tm (C)	Cama Aquecida Temperatura	Risco de distorção	Facilidade de uso	Custo
PL	180°C - 230°C	60-65°C	155°C	60°C, mas não obrigatório)	Baixo	Fácil	US$ 10 – US$ 25
ABS	230°C – 250°C	105°C	Amorfo	Aprox. 100°C	Moderado	Intermediário	US$ 15 – US$ 25
PETG	230°C – 250°C	80-82°C	210°C	Aprox. 100°C	Baixo	Fácil	US$ 15 – US$ 20
Nilon	230°C – 260°C	70-80°C	217°C	80°C – 100°C	Moderado	Intermediário	US$ 50 – US$ 65
ASA	220°C – 250°C	100°C	250-260°C	Aprox. 100°C	Baixo	Intermediário	US$ 30 – US$ 50
Policarbonato	270°C – 310°C	147°C	260°C	90°C – 110°C	Alto	Difícil	US$ 30 – US$ 60
HIPS	230°C – 250°C	88-92°C	180 – 270°C	Aprox. 100°C	Baixo	Intermediário	US$ 20 – US$ 60
TPE	210°C – 230°C	60-130°C	150–210°C	Não obrigatório	Baixo	Fácil	US$ 80 – US$ 100

Diferença entre a transição vítrea e a temperatura de fusão de um filamento?

Curiosamente, a temperatura de transição vítrea (Tg) e a temperatura de fusão (Tm) são propriedades físicas intimamente relacionadas, mas não são a mesma coisa, embora ambos lidem com uma mudança de estado, os dois termos representam coisas bastante diferentes.

A transição vítrea, fenômeno relacionado à viscosidade, não é necessariamente o ponto de cruzamento entre sólido e líquido; é o ponto de cruzamento entre um sólido rígido e um sólido emborrachado. Cientificamente falando, eis como eles diferem:a temperatura de fusão é a temperatura na qual um sólido começa a derreter em um líquido, enquanto a temperatura de transição vítrea representa o ponto em que um sólido se torna emborrachado, mas não líquido.

Para entender isso, vamos imaginar que você está fazendo uma pizza; Quando as fatias de queijo são retiradas do congelador, elas estão duras, mas depois de alguns minutos em temperatura ambiente ficam macias e borrachosas. Isso pode ser considerado a temperatura de transição vítrea (Tg) do queijo.

Quando você espalha o queijo sobre a pizza e assa no forno, ele derrete, e isso seria considerado a temperatura de fusão (Tm) do queijo, ou seja, a temperatura na qual ele derrete de um sólido emborrachado para um líquido viscoso pegajoso.

O que significa uma temperatura de transição vítrea mais alta?

Uma temperatura de transição vítrea (Tg) mais alta significa que um material leva mais tempo para se transformar de sólido em material macio quando você o aquece. Por exemplo, se você aplicar calor a algo com Tg de 200 C, ele ficará macio a 200 C.

Um material com Tg de 390 C torna-se macio a 390 C. Por macio, quero dizer que perde sua resistência à tração, rigidez e rigidez. O objeto pode até se deformar sob seu próprio peso se submetido a uma temperatura maior que sua temperatura de transição vítrea Tg.

O que acontece com o filamento quando está acima de sua temperatura de transição vítrea?

Um filamento que está acima de sua temperatura de transição vítrea (Tg) está em um estado vítreo termodinamicamente instável e exibirá todas as propriedades de um líquido.

Você pode consultar a tabela que mencionei anteriormente sobre a temperatura de transição de vidro do seu tipo de filamento específico, mas sempre aconselho você a verificar as especificações do filamento que comprou, pois o fabricante terá instruções mais detalhadas sobre como imprima com ele.

Por que isso é relevante ao definir a temperatura da cama aquecida?

Existem dois problemas principais que podem surgir relacionados à temperatura do filamento extrudado, ou melhor, a temperatura do leito e quão rápido/lento é permitido esfriar. Essas questões são; Empenamento e pé de elefante.

Encurvamento

Empenamento' é a tendência de uma peça impressa deformar para cima durante o processo de impressão. A principal razão para a deformação é que as camadas inferiores são impressas em uma placa fria ou plataforma de construção e, à medida que esfriam, elas se contraem mais do que as camadas superiores.

Portanto, as camadas superiores se dobram para fora à medida que esfriam, criando uma tensão desigual na peça, levando à deformação.

Para reduzir a distorção de uma impressão 3D, os fabricantes introduziram camas aquecidas em algumas de suas impressoras 3D, que podem ser usadas para evitar esse resfriamento rápido das camadas inferiores.

Então, agora as camadas inferiores serão impressas em uma cama aquecida (que já é aquecida a uma temperatura específica dependendo do filamento que você está usando) e não contrairá mais do que as camadas superiores à medida que a impressão esfria gradualmente. Assim, a deformação será significativamente reduzida se não for evitada inteiramente.

Agora, é assim que o conhecimento da temperatura de transição vítrea do filamento desempenha um papel significativo; Antes de usar o filamento para imprimir um objeto em 3D, em vez de aquecer a cama a uma temperatura aleatória, se definirmos sua temperatura muito próxima à temperatura de transição vítrea do filamento, a deformação será completamente eliminada e a parte impressa também aderirá melhor para a cama.

Apenas uma dica adicional, nivele a cama na temperatura em que você vai imprimir, pois isso produzirá os melhores resultados.

Pé de elefante

O pé de elefante ocorre mais frequentemente como resultado de uma primeira camada não resfriada. Se a temperatura da mesa de impressão estiver muito alta ou se houver resfriamento insuficiente, a primeira camada pode não esfriar rápido o suficiente, causando pé de elefante.

Esse problema tende a surgir principalmente em impressões maiores, pois é causado pelo peso do objeto empurrado para baixo na primeira camada. Se não for resfriado adequadamente, esse peso resulta no abaulamento da primeira camada.

Como a temperatura do leito é maior que a temperatura de transição vítrea do filamento, isso faz com que o fundo não esfrie adequadamente e fique inchado para fora.

Assim, conhecer a temperatura de transição vítrea do filamento e depois ajustar a temperatura da cama um pouco mais baixa ajuda a eliminar o temido pé de elefante.

Quando uma temperatura de transição vítrea mais alta é importante?

A temperatura de transição vítrea pode fornecer estimativas aproximadas sobre a temperatura na qual uma peça impressa em 3D fará a transição direta de um objeto útil "impresso" sólido para um objeto inútil de "borracha" macio que pode até se deformar sob seu próprio peso.

É por isso que conhecer a temperatura do vidro de um filamento específico permitirá que você tome uma decisão mais informada sobre como usar a peça impressa em 3D, já que alguns plásticos, como o PLA, começarão a se deformar rapidamente se deixados ao sol ou ao sol. carro.

Filamentos para uso externo

Se você estiver imprimindo em 3D um objeto para uso externo, pode ser mais adequado usar um ABS tipo filamento, porque sua temperatura de transição vítrea (105C) é muito maior que a temperatura externa, mesmo em um dia quente de verão, e como acabei de mencionar , o PLA pode se deformar se for deixado de fora no calor.

Existem muitos outros filamentos que podem ser usados ​​ao ar livre, como PETG, ASA e outros. No entanto, eu escrevi um artigo inteiro sobre esse assunto, então não deixe de conferir também.

Usos que exigem que o material resista a altas temperaturas

Se você estiver imprimindo objetos que serão expostos a altas temperaturas, é essencial que você use um tipo de filamento que tenha uma temperatura de transição vítrea mais alta, caso contrário, provavelmente se deformará.

Digamos que você tenha usado PETG T (82C) para imprimir em 3D uma peça que sofrerá uma alta temperatura de 85C-95C, certamente falhará e desperdiçará seu esforço.

O PLA tem uma temperatura de transição de vidro muito baixa, e é por isso que eu não recomendaria usá-lo para qualquer coisa que fizesse o plástico chegar perto desse nível de calor.

Por outro lado, existem muitos filamentos adequados para serem usados ​​em altas temperaturas, como ABS, Policarbonato, ASA, etc. (mais uma vez, consulte a tabela no início do post).

O PLA derreterá em um carro?

O PLA ou ácido polilático é um termoplástico derivado de fontes renováveis, como milho e cana-de-açúcar. PLA é um material de impressão 3D versátil que tem uma qualidade de impressão muito boa com boa adesão de camada e resistência moderada, na verdade, é uma das minhas principais recomendações para engrenagens, perdendo apenas para o nylon.

Você pode até encontrar filamentos de PLA à base de soja e milho que são biodegradáveis!

No entanto, o PLA é altamente inadequado para ser usado para imprimir peças de carros em 3D, porque sua Tg é (60-65C) e em um dia quente e ensolarado, as peças de carros impressas a partir de PLA se deformarão.

Claro, se você está pensando em usar o PLA para imprimir algumas peças de reposição no compartimento do motor, esqueça!

É por isso que as peças do carro geralmente são feitas de ABS, pois não é apenas um plástico mais resistente, mas seu Tg também é significativamente maior, ou seja, 105C.

É possível melhorar a temperatura de transição vítrea de uma peça PLA?

Sim, você pode melhorar a temperatura de transição vítrea de suas impressões PLA introduzindo aditivos, mas você precisa estar ciente das possíveis compensações em força e infusibilidade.

Derivados de PLA como TPLA ou HTPLA oferecem as vantagens do PLA padrão, mas podem ser tratados termicamente após a impressão. Isso os ajuda a manter sua forma e rigidez em temperaturas significativamente mais altas quando comparado ao PLA padrão.

Uma temperatura de transição vítrea mais alta torna a peça mais rígida e resistente, e o melhor método para aumentar a temperatura de transição vítrea dos objetos 3D impressos a partir de um filamento PLA padrão é recozindo-os (aquecendo-os até sua temperatura de transição vítrea e abaixo da temperatura de fusão). ponto).

Quais são as vantagens do recozimento?

O tratamento térmico da impressão 3D é chamado de “recozimento”.

Os métodos comuns de recozimento de objetos impressos em 3D estão usando um forno atmosférico, um forno e fontes de aquecimento indiretas.

Isso reorganizará a estrutura cristalina interna e causará a formação de grãos maiores, o que resultará em objetos muito mais fortes e menos propensos à separação de camadas, e os testes mostraram que o recozimento de uma peça impressa em 3D pode gerar um aumento de 40% na força e resistência geral .

As únicas desvantagens disso são que, se feito incorretamente, o modelo acabará deformado e encolherá nas direções X e Y enquanto expande na direção Z.

Outra coisa importante a considerar antes de recozir seus objetos é que ele exige que os objetos sejam impressos com 100% de preenchimento. Eu sei que não soa ideal, mas recozir uma impressão com 20% ou 30% de preenchimento fará com que ela se contraia de maneiras imprevisíveis, gerando, quase sempre, resultados ruins.

Durante este processo, ele precisa do preenchimento para apoiá-lo, caso contrário, ele se deformará se houver espaços vazios aleatórios ou irregulares dentro do objeto.

O estilo de preenchimento mais adequado, mais barato e mais rápido para o processo de recozimento é o preenchimento de linha.

Mais resistente

A impressão 3D é uma técnica econômica para fabricar peças e estruturas complexas com detalhes intrincados. No entanto, alguns objetos impressos em 3D não têm a mesma integridade estrutural que os objetos feitos com moldagem por injeção podem ter, especialmente sob condições exigentes, como alta resistência.

O recozimento é uma maneira de melhorar as propriedades físicas das peças impressas em 3D, tornando-as mais duráveis ​​porque as camadas se fundem com muito mais força.

Aumenta a temperatura de transição vítrea

O processo de recozimento também aumenta a resistência à temperatura de objetos impressos em 3D. A ciência por trás disso é bastante simples, os objetos impressos em 3D padrão têm uma estrutura molecular amorfa que é aleatória, eles não têm um ponto de fusão, em vez disso, quando aquecidos, tornam-se gradualmente mais macios até derreterem completamente em um líquido. Durante o processo de recozimento, quando aquecemos os objetos 3D, suas moléculas se reorganizam em uma estrutura semicristalina parcialmente organizada.

Isso resulta em ligações intermoleculares mais fortes e, portanto, temperaturas de transição vítrea mais altas.

Realizei um experimento para descobrir o que acontece com a temperatura de transição vítrea de um objeto impresso a partir de um filamento PLA (Tg 60C) depois de recozido a 90C. Meus resultados mostraram que sua temperatura de transição vítrea aumentou para 110C.

Isso representa um aumento de quase 100% e, como consequência, elimina um dos maiores desafios da impressão 3D de objetos com PLA padrão.

Pós-processamento mais fácil

A impressão 3D FDM produz uma superfície áspera na parte externa do objeto impresso. O modelo não é liso e isso significa que será mais difícil processar posteriormente, por exemplo, pintura ou lacagem.

O processo de recozimento pode ser usado para suavizar as superfícies das impressões, preencher buracos que faltam e produzir um modelo com aparência profissional.

Portanto, o recozimento minimiza o tempo necessário para adicionar os toques finais à sua nova impressão e também a torna mais forte!

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