3D打印PLA退火的2種簡單方法

魔猴君  知識堂   199天前

熱處理是通常用于改變材料物理或化學性質的后處理技術。

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。據說可以讓3D打印零件性能更好，但這個過程到底是如何運作的，以及用PLA可以實現什么？

在本文中，魔猴網將和大家一起學習退火的工作原理，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但高于其重結晶溫度的最佳點來完成的。

當金屬被鑄造或成型時，被稱為“晶粒”的微小晶體結構構成了材料的微觀結構。晶粒越小，材料越硬、越脆。較大的顆粒會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晶并長大的溫度。材料在此溫度下停留的時間越長，其結構改變的能力就越大。

塑料退火和3D打印

雖然退火主要針對金屬，但類似的工藝也用于塑料，以減少注塑零件的內應力。這是通過將塑料部件加熱到熔點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。塑料的微觀結構介于無定形（完全無序）和高度結晶之間。晶體結構具有更堅固的機械性能。半結晶材料，如PLA或PETG，同時包含非晶區和結晶區，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增加非晶態部分。對3D打印部件進行退火可以使它們重新排列分子鏈并生長結晶區域。與金屬退火一樣，這可以提供更堅固的機械性能。退火過程中發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節。

二、退火PLA

退火使您打印的PLA具有更好的耐熱性-進行測試！（來源：來自Thingiverse的朋克客）

PLA是3D打印最常用的材料之一。它相當容易打印，并且即使有點脆，也具有良好的機械強度。然而，與其他3D打印材料相比，它的熔化溫度確實相對較低。

這些特性使PLA成為退火的完美選擇。事實上，多項研究確實證明了PLA退火后處理的機械性能得到了改善。

在材料強度方面，測試表明，退火后的PLA零件的強度提高了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也顯示出良好的結果。

缺點

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

因此，最終，對3D打印PLA進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零件會發生一些尺寸變化（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級設備即可對PLA進行退火的程序。

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退火時肯定會得到回報。

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：盡管許多現代烤箱都有內置溫度計，但它們可能非常不準確。對于烘烤來說，5°C甚至10°C可能并不那么重要，但在對塑料部件進行退火時，每一度都很重要，尤其是對于PLA等溫度敏感材料。

讓烤箱內部溫度均勻：烤箱達到所需溫度后，等待至少30分鐘，然后再插入零件。

做好尺寸不準確的準備：即使成功，PLA退火也可能會扭曲、變形，或者至少會改變零件的整體尺寸，因此請注意。

如果可能，請使用電烤箱：雖然您可以使用燃氣烤箱，但請記住，它們的精確度較低，并且在加熱時會超出溫度。如果您只有燃氣烤箱，則必須使用溫度計。

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

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行相同的方法。最好使用細磨的鹽，否則大的鹽晶體可能會在零件表面留下凹坑。請務必將其緊緊包裹以獲得最佳效果。

對于此過程，我們將溫度設置為玻璃化轉變溫度附近，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。

當烤箱加熱時，準備一個足夠大、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。

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、直接烤箱內完成

無論您選擇哪種路徑，請注意溫度和計時器！（來源：pyyoer，來自Reddit）

您可以嘗試直接在預熱（但關閉）的烤箱中對零件進行退火，而不是使用沙子或鹽的方法。如果您的燃氣烤箱無法保持一致的溫度，這是一個很好的方法。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而不是外部冷卻。由于零件只會在短時間內達到玻璃化轉變溫度以上，因此您可能無法像第一種方法那樣實現完全退火。然而，從高溫逐漸冷卻將避免內應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，然后將其放入內部。立即關閉烤箱及其內部的所有加熱元件。

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PLA零件進行退火時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。雖然這個過程在理論上應該有效，但結果并不一致，并且在網上可以找到很少的實際有效的示例。

這個想法是將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，并將其放在水下進行退火。雖然滴入一點水可能不會影響機械變化，但它可以改變印刷品的外觀。這種方法乍一聽似乎是個好主意，但控制水溫是棘手的一點。

像真空低溫烹調機這樣的慢速烹飪設備非常適合將水保持在合適的溫度，可能值得一試。

來源：ALL3DP