AM易道分享
硬核测试结果如下:
85度的密闭环境里,让3D打印件反复撞击钢板,直到它断掉。
ABS撑了161次。
普通PLA撑了162次。
而同一台机器上,PETG是261次,PC是426次。
而一卷叫HT-PLA Pro的耐高温PLA材料,864次才断。
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你没看错,就是3D打印领域最普及用量最大的非金属材料,PLA.
这是Polymaker的测试结果。
这个数据指向一个3D打印反常识的新认知,里面蕴含新生意机会。
PLA不耐热的常规印象
PLA的玻璃化转变温度是59度。
这个数字,就是PLA不耐热这个印象的核心来源。
玻璃化转变只管一件事,关于非晶部分什么时候开始变软。
PLA是可结晶聚合物,熔点173度。
我们查阅得知晶体不吃玻璃化转变这一套,在不受力的情况下,得一直加热到接近熔点才会失去形状。
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所以其实3D打印行业最常见的PLA材料的耐热天花板从不在60度。
问题只在于,里面的晶体在哪里。
麻烦就在这儿。
PLA有个老毛病,结晶速度极慢。
注塑件在模具里慢慢冷却,有足够时间结晶。
而FDM3D打印正好相反,熔体挤出来几秒钟就被风扇吹凉,晶体根本来不及生成。
于是打印出来的PLA件,绝大部分处在非晶态。
没有晶体,过了59度就软,拿到行业不耐高温的普遍印象一点不冤。
这不能算彻底的误会。
注塑级PLA的热变形温度本来就只有五十几度,靠退火提升PLA耐热也是行业用了十几年的老办法。
准确的说法是,PLA的耐热能力一直都在,只是一直没有被3D打印行业挖掘出其耐热潜力。
而现在,事情开始变得不一样。
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(黄色: 退火后的 HT PLA PRO;棕色:PLA,蓝色:PETG)
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(加热10多分钟时,约90℃)
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(加热至100℃时)
让PLA来得及结晶
先看普通PLA。
它在降温过程中几乎不结晶,熔体冷下来就是冷下来了,晶体要等到二次加热到100度上下才慢慢长出来,这一步叫冷结晶。
也就是说,普通PLA打完就是非晶的,除非你事后再烤一遍。
再看Polymaker关于HT-PLA Pro的技术数据表里面有个容易被忽略的数字,正是结晶温度,129.98度。
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普通PLA在降温过程中几乎不结晶,而HT-PLA Pro在从熔体冷下来的路上,130度附近就开始结晶。
也就是说,打印过程中就已经有相当程度的结晶发生,不需要像普通PLA那样完全依赖事后退火。
但从TDS推荐的退火条件(100°C/30min)和退火后HDT的大幅提升来看,打印后的结晶仍不完全,退火可以进一步提升耐热性能。
达成这一关键,我们猜测靠的是成核剂。
往熔体里加足够多的现成晶核,让结晶过程更快更容易出现。
这个原理,聚丙烯和PET行业用了几十年。
最难的是配比,加少了结晶快不起来,加多了晶体又碎又小,材料反而更脆。
同一份表上还有个数字值得看,HT-PLA Pro的熔点是173.35度。
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这个数值落在普通PLA的常规区间里,本身平平无奇。
但它排除了一种可能。
学术界做耐热PLA最出名的路线叫立构复合,把左旋和右旋两种PLA混在一起,晶体熔点能到220度以上。
也就是说,220度以下的熔峰,倾向于说明HT-PLA Pro长的还是常规晶体。
技术路线的选择对3D打印广大用户来说很关键。
同时对于Polymaker这类知名品牌说,总是需要考虑用户的经济、实用、以及能够大批量供应。
上面这个段落是基于官方公开数值的判断,Polymaker并未披露耐高温PLA的具体配方和技术方案。
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韧性与耐热之间的取舍
工程学总是伴随着取舍,结晶的问题解决了,新的问题有可能是材料变得更脆。
但我们查阅HT-PLA Pro的参数,它的断裂伸长率竟然是13%?!
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这个数字远超我们想象,我们仔细从参数整体分析来看:
延展性高,强度和刚度略微降低,这是典型的软相增韧特征。
也就是说,比起其前几代产品,HT-PLA Pro的耐热和韧性都要兼顾,可以满足以耐热为主的绝大多数使用场景的受力要求。
800多次的冲击试验要证明的正是这点。
热环境里,工程塑料的优势缩水
回到开头那组数字,需要补一个结果。
同一组测试还跑了尼龙PA12,撑过6000次仍未断裂,测试被主动终止。
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但它的样件测试中变形,几颗轴承脱落,热量传入的路径被改变,成绩有水分。
而高温冲击试验下,ABS和PETG的表现差强人意。
161和261次,和普通PLA的162次摆在一起,基本在同一个量级。
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3D打印圈里ABS材料更耐用这条传统认知,至少在受热加反复冲击的工况下不成立。
3D打印农场主需要关注的账本
HT-PLA Pro的打印条件是喷嘴230度,热床25到65度,不用封箱,不用硬化喷嘴,最高300毫米每秒。
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要耐高温抗冲击,若选择打印ABS材料,则要打印机封箱,还要处理气味和翘曲;
若选PC要260度以上加高温热床,若选尼龙也不易打。
对打印农场来说,以前报一个耐热功能件的价,得考虑工程塑料的打印难度和良率,以及工业级FDM设备的折旧。
现在PLA基材料就可以用,并且以前的设备就能胜任,能接的订单类型更多了。
我们从Polymaker官方商城看到有个评价。
有位用户给家里的面部蜡加热器打了个盖子,那机器要保持蜡的温度,一直很烫。
他用Bambu A1,拿普通PLA的切片预设改高了喷嘴温度,选用HT-PLA Pro材料,用了几天都没变形。
这类活以前完全没办法用PLA材料。
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现在用这个材料,我们想到有很多应用场景。
发热设备旁边的非承载件。
3D打印机自己的导流罩和线材导管,台灯、投影仪、路由器、功放的支架与外壳。
车内件与儿童玩具。
手机支架、出风口卡扣、储物整理件,以及那些会被随手扔在车里的东西。
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夏天车里的温度,正是那台测试机模拟的工况。
还有就是晒得到室内温度较高的空间。
窗台花盆托、窗帘配件、阳光房里的固定件。
生产现场的部分工装治具,无空调仓库、货车厢里的料盒和分拣件。
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需要承力的场合,这个材料需要退火能够提升其受热状态下的力学性能。
如前文提到的,普通PLA虽然也可以通过退火处理提升其耐热性能,但退火过程容易产生形变和尺寸收缩。
关于背后原因,我们采访了Polymaker的技术专家,其提到原因有二:
一是普通PLA打印件几乎完全非晶,退火时需要大量结晶,伴随的体积收缩显著; 二是退火温度必须高于Tg才能触发冷结晶,而非晶区在Tg以上就已软化,材料在晶体长出来之前就已经丧失刚度,容易下垂和翘曲。 HT-PLA Pro在这两点上都有结构性优势。 首先,它在打印完成后已经有相当程度的结晶,这些晶体在退火时形成刚性骨架,即使非晶区在Tg以上软化,零件仍能维持形状。 其次,打印件已有的结晶度意味着退火时只需补充结晶,增量相变量小,体积收缩也相应更小。 此外,HT-PLA Pro的结晶速率显著高于普通PLA,缩短了高温停留时间。 叠加这三点因素,该材料在退火时相比普通PLA更能维持形状和尺寸的稳定性。
材料的能与不能
前面我们强调过,官方标称的维卡148度指的是不受力状态。
如要在受力条件下耐热,必须100度烤30分钟,负载热变形温度能从56.3度升到107.6度。
而同一份表上,退火后断裂伸长率和缺口冲击都有所下降。
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如我们前文分析,耐热和韧性的取舍,退火就是那个开关。
还有几条边界是官方明确表明的,这也是我们对Polymaker这类优秀企业认可的点。
其表明抗紫外能力和普通PLA一样,户外长期暴晒不建议用。
不建议用于汽车引擎舱承载件,也没有食品接触和医疗认证。
还有官方材料的测试都是用ISO标准化样条达成的。
用户手里的3D打印件还要考虑设计结构因素,有可能实际体验比测试结果更优。
真正被这个测试推翻的,是PLA不耐热。
准确的版本只需要多三个字,没结晶的PLA不耐热。
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对我们价值在于:
关于3D打印材料的判断,变成了关于3D打印材料制备工艺的判断。
过去十几年,PLA熔体从打印喷头出来,风扇吹上去,晶体还没来得及排好队,零件就凉透了。
Polymaker做的事,如果我们没猜错的话,把结晶这件事的时间表提前,让晶体在零件还躺在3D打印机热床上的时候就逐步诞生。
于是有些画面可以重新想一遍。
夏天下班钻进车里,仪表台上那个3D打印手机支架还是正的,没有耷拉成奇怪的角度。
后座上孩子昨天落下的玩具,车里闷了一整天,捡起来还是原来的形状。
书桌角落,投影仪旁边那个自己打的理线架,没有发软。
打印机自己的导流罩,几百小时的热风吹着,还能扛住。
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这些3D打印件以前难有PLA的位置。
现在,换成HT-PLA Pro就行。
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