3D-Filament-Glasübergangstemperaturen

In diesem Artikel werde ich darauf eingehen, was Glasübergang ist, die Temperaturen, bei denen die gängigsten Filamenttypen diesen Glasübergangszustand erreichen, sowie ihre Schmelztemperaturen, die definitiv nicht gleich sind, und wie man eine höhere Glasübergangstemperatur erreicht auf 3D-gedruckten Modellen, die mit einem Filament gedruckt wurden, das eine niedrige Glasübergangstemperatur hat (z. B. PLA), und vieles mehr!

Also, ohne weitere Umschweife, fangen wir gleich an!

Was ist die Glasübergangstemperatur?

In der Chemie ist die Glasübergangstemperatur (Tg) die Temperatur, bei der ein Material von einem starren, kristallinen Zustand in einen glasigen, amorphen Zustand übergeht. Mit anderen Worten, die Glasübergangstemperatur ist die Temperatur, bei der ein Feststoff seine physikalischen Eigenschaften von denen eines harten, kristallinen Feststoffs zu denen eines amorphen Feststoffs (gummiartiger Zustand) ändert.

Die Glasübergangstemperatur ist die Temperatur, bei der die Molekularbewegung im Wesentlichen eingefroren wird. Es ist ein direktes Ergebnis der Stärke intermolekularer Anziehungskräfte wie der Van-der-Waal-Kräfte.

Die Van-der-Waal-Kräfte entstehen durch die Akkumulation von Elektronen in Molekülen. Wenn zu viel Wärmeenergie vorhanden ist, werden die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen zerstört und die Glasübergangstemperatur tritt auf.

Für diejenigen, die nicht „Chemie“ sprechen:Die Glasübergangstemperatur eines Materials ist die Temperatur, bei der es sich von einem harten, etwas spröden Feststoff zu einem weicheren und etwas gummiartigen/klebrigen Material ändert. Ich meine nicht „klebrig“ im Sinne von Kaugummi oder Sirup, sondern nur, dass man es zusammendrücken kann, ohne etwas zu knacken oder zu zerbrechen.

Glasübergangs- und Schmelztemperaturen von 3D-Filamenten

Filament	Düsentemperatur	Glasübergangstemperatur Tg (C)	Schmelztemperatur Tm (C)	Heizbett Zeit	Warping-Risiko	Benutzerfreundlichkeit	Kosten
PLA	180 °C – 230 °C	60–65 °C	155 °C	60°C aber nicht erforderlich)	Niedrig	Einfach	10 $ bis 25 $
ABS	230 °C – 250 °C	105 °C	Amorph	Ca. 100°C	Moderat	Mittelstufe	15 $ – 25 $
PETG	230 °C – 250 °C	80-82 °C	210 °C	Ca. 100°C	Niedrig	Einfach	15 $ bis 20 $
Nylon	230 °C – 260 °C	70-80 °C	217 °C	80 °C – 100 °C	Moderat	Mittelstufe	$50 – $65
ASA	220 °C – 250 °C	100 °C	250–260 °C	Ca. 100°C	Niedrig	Mittelstufe	30 $ bis 50 $
Polycarbonat	270 °C – 310 °C	147 °C	260 °C	90 °C – 110 °C	Hoch	Schwierig	30 $ bis 60 $
HÜFTEN	230 °C – 250 °C	88-92 °C	180 – 270 °C	Ca. 100°C	Niedrig	Mittelstufe	20 $ bis 60 $
TPE	210°C – 230°C	60-130°C	150–210 °C	Nicht erforderlich	Niedrig	Einfach	80 $ bis 100 $

Unterschied zwischen Glasübergangs- und Schmelztemperatur eines Filaments?

Seltsamerweise sind die Glasübergangstemperatur (Tg) und die Schmelztemperatur (Tm) eng verwandte physikalische Eigenschaften, aber sie sind überhaupt nicht dasselbe, obwohl sich beide mit einer Zustandsänderung befassen, repräsentieren die beiden Begriffe ziemlich unterschiedliche Dinge.

Der Glasübergang, ein mit der Viskosität zusammenhängendes Phänomen, ist nicht unbedingt der Übergangspunkt zwischen fest und flüssig; es ist der Übergangspunkt zwischen einem starren Festkörper und einem gummiartigen Festkörper. Wissenschaftlich gesehen unterscheiden sie sich wie folgt:Die Schmelztemperatur ist die Temperatur, bei der ein Feststoff zu einer Flüssigkeit zu schmelzen beginnt, während die Glasübergangstemperatur den Punkt darstellt, an dem ein Feststoff gummiartig, aber nicht flüssig wird.

Um dies zu verstehen, stellen wir uns vor, Sie backen eine Pizza; Wenn die Käsescheiben aus dem Gefrierschrank genommen werden, sind sie hart, aber nach einigen Minuten bei Raumtemperatur werden sie weich und gummiartig. Dies könnte als Glasübergangstemperatur (Tg) des Käses angesehen werden.

Wenn Sie den Käse über die Pizza verteilen und im Ofen backen, schmilzt er, und dies wird als Schmelztemperatur (Tm) des Käses angesehen, dh als die Temperatur, bei der er von einem gummiartigen Feststoff zu einer klebrigen, viskosen Flüssigkeit schmilzt.

Was bedeutet eine höhere Glasübergangstemperatur?

Eine höhere Glasübergangstemperatur (Tg) bedeutet, dass ein Material länger braucht, um sich von einem festen in ein weiches Material zu verwandeln, wenn Sie es erhitzen. Wenn Sie beispielsweise etwas mit einer Tg von 200 C erhitzen, wird es bei 200 C weich.

Ein Material mit einer Tg von 390 C wird bei 390 C weich. Mit weich meine ich, dass es seine Zugfestigkeit, Steifheit und Starrheit verliert. Der Gegenstand kann sich sogar unter seinem eigenen Gewicht verformen, wenn er einer Temperatur ausgesetzt wird, die höher ist als seine Glasübergangstemperatur Tg.

Was passiert mit dem Filament, wenn es über seiner Glasübergangstemperatur liegt?

Ein Filament, das über seiner Glasübergangstemperatur (Tg) liegt, befindet sich in einem thermodynamisch instabilen Glaszustand und weist alle Eigenschaften einer Flüssigkeit auf.

Sie können sich auf die zuvor erwähnte Tabelle bezüglich der Glasübergangstemperatur Ihres spezifischen Filamenttyps beziehen, aber ich würde Ihnen immer raten, die Spezifikationen des von Ihnen gekauften Filaments zu überprüfen, da der Hersteller detailliertere Anweisungen dazu hat damit drucken.

Warum ist dies relevant, wenn die Temperatur des Heizbetts eingestellt wird?

Es können zwei Hauptprobleme auftreten, die mit der Temperatur des extrudierten Filaments zusammenhängen, oder besser gesagt mit der Temperatur des Betts und wie schnell/langsam es abkühlen darf. Diese Probleme sind; Warping und Elefantenfuß.

Verziehen

Warping’ ist die Tendenz eines gedruckten Teils, sich während des Druckprozesses nach oben zu verziehen. Der Hauptgrund für das Verziehen ist, dass die unteren Schichten auf eine Kühlplatte oder Bauplattform gedruckt werden und sich beim Abkühlen stärker zusammenziehen als die oberen Schichten.

Daher biegen sich die oberen Schichten beim Abkühlen nach außen, wodurch eine ungleichmäßige Belastung des Teils entsteht, die zu einem Verziehen führt.

Um das Verziehen eines 3D-Drucks zu reduzieren, haben Hersteller bei einigen ihrer 3D-Drucker beheizte Betten eingeführt, mit denen dieses schnelle Abkühlen der unteren Schichten vermieden werden kann.

Jetzt werden die unteren Schichten also auf einem beheizten Bett gedruckt (das je nach verwendetem Filament bereits auf eine bestimmte Temperatur erhitzt ist) und ziehen sich nicht mehr zusammen als die oberen Schichten, wenn der Druck allmählich abkühlt. Daher wird das Verziehen erheblich reduziert, wenn nicht sogar ganz vermieden.

Nun, so spielt die Kenntnis der Glasübergangstemperatur des Filaments eine bedeutende Rolle; Bevor wir das Filament zum 3D-Drucken eines Objekts verwenden, anstatt das Bett auf eine zufällige Temperatur zu erhitzen, wenn wir seine Temperatur sehr nahe an der Glasübergangstemperatur des Filaments einstellen, wird das Verziehen vollständig eliminiert und das gedruckte Teil haftet auch besser ins Bett.

Nur ein zusätzlicher Tipp:Nivellieren Sie das Bett auf die Temperatur, bei der Sie drucken werden, da dies die besten Ergebnisse liefert.

Elefantenfuß

Der Elefantenfuß tritt am häufigsten als Folge einer ungekühlten ersten Schicht auf. Wenn die Temperatur des Druckbetts zu hoch ist oder die Kühlung unzureichend ist, kühlt die erste Schicht möglicherweise nicht schnell genug ab, was zu Elefantenfüßen führen kann.

Dieses Problem tritt meistens bei größeren Drucken auf, da es durch das Gewicht des Objekts verursacht wird, das auf die erste Schicht drückt. Wenn es nicht richtig gekühlt wird, führt dieses Gewicht zu der wulstigen ersten Schicht.

Da die Temperatur des Betts höher ist als die Glasübergangstemperatur des Filaments, führt dies dazu, dass der Boden nicht richtig kühlt und sich nach außen wölbt.

Wenn Sie also die Glasübergangstemperatur des Filaments kennen und dann die Temperatur des Betts etwas niedriger einstellen, können Sie den gefürchteten Elefantenfuß beseitigen.

Wann ist eine höhere Glasübergangstemperatur wichtig?

Die Glasübergangstemperatur kann ungefähre Schätzungen der Temperatur liefern, bei der ein 3D-gedrucktes Teil direkt von einem festen „gedruckten“ nützlichen Objekt in ein weiches „gummiartiges“ nutzloses Objekt übergeht, das sich sogar unter seinem eigenen Gewicht verformen kann.

Aus diesem Grund können Sie mit der Kenntnis der Glastemperatur eines bestimmten Filaments eine fundiertere Entscheidung über die Verwendung des 3D-gedruckten Teils treffen, da sich einige Kunststoffe wie PLA ziemlich schnell verformen, wenn sie in der Sonne oder im Freien gelassen werden Auto.

Filamente für den Außenbereich

Wenn Sie ein Objekt für den Außenbereich in 3D drucken, ist es möglicherweise besser geeignet, ein filamentähnliches ABS zu verwenden, da seine Glasübergangstemperatur (105 ° C) selbst an einem heißen Sommertag viel höher ist als die Außentemperatur, und wie ich gerade erwähnt habe , PLA kann sich verformen, wenn es draußen in der Hitze gelassen wird.

Es gibt viele andere Filamente, die im Freien verwendet werden können, wie PETG, ASA und andere. Allerdings habe ich einen ganzen Artikel zu diesem Thema geschrieben, also schau ihn dir auch an.

Verwendungen, die ein Material erfordern, das hohen Temperaturen standhält

Wenn Sie Objekte drucken, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden, verwenden Sie unbedingt einen Filamenttyp mit einer höheren Glasübergangstemperatur, da es sich sonst wahrscheinlich verformt.

Nehmen wir an, Sie haben PETG T (82 ° C) verwendet, um ein Teil in 3D zu drucken, das einer hohen Temperatur von 85 ° C bis 95 ° C ausgesetzt ist. Es wird sicherlich scheitern und Ihre Mühe verschwenden.

PLA hat eine sehr niedrige Glasübergangstemperatur, weshalb ich nicht empfehlen würde, es für etwas zu verwenden, bei dem der Kunststoff auch nur annähernd dieses Wärmeniveau erreicht.

Andererseits gibt es viele Filamente, die für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet sind, wie ABS, Polycarbonat, ASA usw. (siehe auch hier die Tabelle am Anfang des Beitrags).

Schmilzt PLA in einem Auto?

PLA oder Polymilchsäure ist ein Thermoplast, der aus erneuerbaren Quellen wie Mais und Zuckerrohr gewonnen wird. PLA ist ein Allround-3D-Druckmaterial, das eine sehr gute Druckqualität mit guter Schichthaftung und mäßiger Festigkeit aufweist. Tatsächlich ist es nach Nylon eine meiner Top-Empfehlungen für Zahnräder.

Sie können sogar PLA-Filamente auf Soja- und Maisbasis finden, die biologisch abbaubar sind!

PLA ist jedoch höchst ungeeignet für den 3D-Druck von Autoteilen, da seine Tg (60-65 ° C) beträgt und sich an einem heißen sonnigen Tag aus PLA gedruckte Autoteile verformen.

Wenn Sie darüber nachdenken, PLA zum Drucken einiger Ersatzteile im Motorraum zu verwenden, vergessen Sie es natürlich!

Aus diesem Grund werden Autoteile normalerweise aus ABS hergestellt, da es nicht nur ein härterer Kunststoff ist, sondern seine Tg auch deutlich höher ist, nämlich 105 ° C.

Ist es möglich, die Glasübergangstemperatur eines PLA-Teils zu verbessern?

Ja, Sie können die Glasübergangstemperatur Ihrer PLA-Drucke verbessern, indem Sie Additive hinzufügen, aber Sie müssen sich möglicher Kompromisse bei Festigkeit und Unschmelzbarkeit bewusst sein.

PLA-Derivate wie TPLA oder HTPLA bieten die Vorteile von Standard-PLA, können aber nach dem Drucken wärmebehandelt werden. Dies hilft ihnen, ihre Form und Steifigkeit bei deutlich höheren Temperaturen im Vergleich zu Standard-PLA beizubehalten.

Eine höhere Glasübergangstemperatur macht das Teil steifer und zäher, und die beste Methode, die Glasübergangstemperatur der aus einem Standard-PLA-Filament gedruckten 3D-Objekte zu erhöhen, besteht darin, sie zu glühen (Erhitzen auf ihre Glasübergangstemperatur und unter den Schmelzpunkt). Punkt).

Was sind die Vorteile des Glühens?

Die thermische Behandlung des 3D-Drucks wird als „Annealing“ bezeichnet.

Die üblichen Methoden zum Tempern von 3D-gedruckten Objekten verwenden einen atmosphärischen Ofen, einen Ofen und indirekte Heizquellen.

Dadurch wird die innere Kristallstruktur neu organisiert und die Bildung größerer Körner verursacht, was zu viel stärkeren Objekten führt, die weniger anfällig für Schichttrennungen sind, und Tests haben gezeigt, dass das Tempern eines 3D-gedruckten Teils zu einer 40-prozentigen Steigerung der Festigkeit und des Gesamtwiderstands führen kann .

Die einzigen Nachteile dabei sind, dass das Modell bei falscher Ausführung verzogen und in X- und Y-Richtung schrumpft, während es in Z-Richtung expandiert.

Eine weitere wichtige Sache, die Sie vor dem Glühen Ihrer Objekte beachten sollten, ist, dass die Objekte mit 100 % Füllung gedruckt werden müssen. Ich weiß, es klingt nicht ideal, aber das Tempern eines Drucks mit 20 % oder 30 % Füllung führt dazu, dass er sich auf unvorhersehbare Weise zusammenzieht, was fast immer zu schlechten Ergebnissen führt.

Während dieses Prozesses braucht es die Füllung, um es zu stützen, sonst verformt es sich, wenn es zufällige oder unregelmäßige Leerräume im Inneren des Objekts gibt.

Die am besten geeignete, billigere und schnellere Füllart für den Glühprozess ist die Linienfüllung.

Beständiger

Der 3D-Druck ist eine kostengünstige Technik zur Herstellung komplexer Teile und Strukturen mit komplizierten Details. Einige 3D-gedruckte Objekte haben jedoch nicht die gleiche strukturelle Integrität wie Objekte, die mit Spritzguss hergestellt werden, insbesondere unter anspruchsvollen Bedingungen wie hoher Festigkeit.

Glühen ist eine Möglichkeit, die physikalischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Teilen zu verbessern und sie haltbarer zu machen, da die Schichten viel stärker miteinander verschmelzen.

Es erhöht die Glasübergangstemperatur

Der Temperprozess erhöht auch die Temperaturbeständigkeit von 3D-gedruckten Objekten. Die Wissenschaft dahinter ist ganz einfach, die standardmäßigen 3D-gedruckten Objekte haben eine amorphe molekulare Struktur, die zufällig ist, sie haben keinen Schmelzpunkt, stattdessen werden sie beim Erhitzen allmählich weicher, bis sie vollständig zu einer Flüssigkeit schmelzen. Während des Glühprozesses, wenn wir die 3D-Objekte erhitzen, ordnen sich ihre Moleküle in einer teilweise organisierten halbkristallinen Struktur neu an.

Dies führt zu stärkeren intermolekularen Bindungen und damit zu höheren Glasübergangstemperaturen.

Ich habe ein Experiment durchgeführt, um herauszufinden, was mit der Glasübergangstemperatur eines Objekts passiert, das aus einem PLA-Filament (Tg 60 ° C) gedruckt wurde, nachdem es bei 90 ° C getempert wurde. Meine Ergebnisse zeigten, dass seine Glasübergangstemperatur auf 110 °C gestiegen war.

Dies ist eine fast 100-prozentige Steigerung und eliminiert somit eine der größten Herausforderungen beim 3D-Druck von Objekten mit Standard-PLA.

Einfachere Nachbearbeitung

Der FDM-3D-Druck erzeugt eine raue Oberfläche auf der Außenseite des gedruckten Objekts. Das Modell ist nicht glatt und daher später schwieriger zu bearbeiten, zum Beispiel zu bemalen oder zu lackieren.

Der Temperprozess kann verwendet werden, um die Oberflächen von Drucken zu glätten, fehlende Löcher zu füllen und ein Modell mit professionellem Aussehen herzustellen.

Daher verkürzt das Glühen die Zeit, die benötigt wird, um Ihrem neuen Druck den letzten Schliff zu verleihen, und macht ihn außerdem stärker!

Sehen Sie sich unseren Bereich mit empfohlenen Produkten an

Wir haben einen Abschnitt mit empfohlenen Produkten erstellt, der es Ihnen ermöglicht, das Rätselraten zu beseitigen und den Zeitaufwand für die Suche nach Druckern, Filamenten oder Upgrades zu reduzieren, da wir wissen, dass dies eine sehr entmutigende Aufgabe sein kann und im Allgemeinen zu viel Verwirrung führt .

Wir haben nur eine Handvoll 3D-Drucker ausgewählt, die unserer Meinung nach sowohl für Anfänger als auch für Fortgeschrittene und sogar Experten geeignet sind, um die Entscheidung zu erleichtern, und die Filamente sowie die aufgeführten Upgrades wurden alle von uns getestet und sorgfältig ausgewählt , damit Sie wissen, dass die von Ihnen gewählte Methode wie beabsichtigt funktioniert.