Temperaturas de transición de vidrio de filamento 3D

En este artículo, repasaré qué es la transición vítrea, las temperaturas a las que los tipos de filamentos más comunes alcanzan ese estado de transición vítrea, así como sus temperaturas de fusión, que definitivamente no son las mismas, cómo lograr una temperatura de transición vítrea más alta. en modelos impresos en 3D que se imprimieron con un filamento que tiene una temperatura de transición vítrea baja (como PLA), ¡y mucho más!

Entonces, sin más preámbulos, ¡vamos directamente al grano!

¿Qué es la temperatura de transición vítrea?

En química, la temperatura de transición vítrea (Tg) es la temperatura a la que un material pasa de un estado cristalino rígido a un estado amorfo vítreo. En otras palabras, la temperatura de transición vítrea es la temperatura a la cual un sólido cambia sus propiedades físicas de las de un sólido cristalino duro a las de un sólido amorfo (estado gomoso).

La temperatura de transición vítrea es la temperatura por la cual el movimiento molecular se congela esencialmente. Es un resultado directo de la fuerza de las fuerzas de atracción intermoleculares como las fuerzas de Van der Waal.

Las fuerzas de Van der Waal se deben a la acumulación de electrones en las moléculas. Si hay demasiada energía térmica, las fuerzas de atracción entre las moléculas se destruyen y se produce la temperatura de transición vítrea.

Para aquellos que no hablan "química":la temperatura de transición vítrea de un material es la temperatura a la que cambia de un sólido duro y algo quebradizo a un material que es más suave y algo gomoso/pegajoso. No me refiero a "pegajoso" en el sentido de chicle o jarabe, solo que se puede exprimir pero sin agrietar ni romper nada.

Temperaturas de fusión y transición vítrea de filamentos 3D

Filamento	Temperatura de la boquilla	Tg de temperatura de transición vítrea (C)	Temperatura de fusión Tm (C)	Cama caliente Temporal	Riesgo de deformación	Facilidad de uso	Coste
PLA	180 °C – 230 °C	60-65 °C	155 °C	60°C pero no requerido)	Bajo	Fácil	$10 – $25
ABS	230 °C – 250 °C	105 °C	Amorfo	Aprox. 100°C	Moderado	Intermedio	$15 – $25
PETG	230 °C – 250 °C	80-82 °C	210 °C	Aprox. 100°C	Bajo	Fácil	$15 – $20
Nailon	230 °C – 260 °C	70-80 °C	217 °C	80 °C – 100 °C	Moderado	Intermedio	$50 – $65
ASA	220 °C – 250 °C	100 °C	250-260 °C	Aprox. 100°C	Bajo	Intermedio	$30 – $50
Policarbonato	270 °C – 310 °C	147 °C	260 °C	90 °C – 110 °C	Alto	Difícil	$30 – $60
CADERAS	230 °C – 250 °C	88-92 °C	180 – 270 °C	Aprox. 100°C	Bajo	Intermedio	$20 – $60
EPT	210 °C – 230 °C	60-130 °C	150–210 °C	No requerido	Bajo	Fácil	$80 – $100

¿Diferencia entre la transición vítrea y la temperatura de fusión de un filamento?

Curiosamente, la temperatura de transición vítrea (Tg) y la temperatura de fusión (Tm) son propiedades físicas estrechamente relacionadas pero no son lo mismo en absoluto, aunque ambas se refieren a un cambio de estado, los dos términos representan cosas bastante diferentes.

La transición vítrea, un fenómeno relacionado con la viscosidad, no es necesariamente el punto de cruce entre sólido y líquido; es el punto de cruce entre un sólido rígido y un sólido gomoso. Científicamente hablando, así es como difieren:la temperatura de fusión es la temperatura a la que un sólido comienza a derretirse en un líquido, mientras que la temperatura de transición vítrea representa el punto en el que un sólido se vuelve gomoso pero no líquido.

Para entender esto, imaginemos que estás haciendo una pizza; Cuando las lonchas de queso se sacan del congelador, están duras pero después de unos minutos a temperatura ambiente se vuelven blandas y gomosas. Esto podría considerarse la temperatura de transición vítrea (Tg) del queso.

Cuando extiende el queso sobre la pizza y la hornea en el horno, se derrite, y esto se consideraría la Temperatura de fusión (Tm) del queso, es decir, la temperatura a la que se derrite de un sólido gomoso a un líquido pegajoso viscoso.

¿Qué significa una temperatura de transición vítrea más alta?

Una temperatura de transición vítrea (Tg) más alta significa que un material tarda más en pasar de sólido a material blando cuando se calienta. Por ejemplo, si aplica calor a algo con una Tg de 200 C, se ablandará a 200 C.

Un material con una Tg de 390 C se ablanda a 390 C. Por suave quiero decir que pierde su resistencia a la tracción, rigidez y rigidez. El objeto puede incluso deformarse por su propio peso si se somete a una temperatura superior a su temperatura de transición vítrea Tg.

¿Qué le sucede al filamento cuando está por encima de su temperatura de transición vítrea?

Un filamento que está por encima de su temperatura de transición vítrea (Tg) se encuentra en un estado vítreo termodinámicamente inestable y exhibirá todas las propiedades de un líquido.

Puede volver a consultar la tabla que mencioné anteriormente sobre la temperatura de transición vítrea de su tipo de filamento específico, pero siempre le aconsejo que verifique las especificaciones del filamento que compró, ya que el fabricante tendrá instrucciones más detalladas sobre cómo imprimir con él.

¿Por qué es esto relevante al establecer la temperatura de la cama caliente?

Pueden surgir dos problemas principales que están relacionados con la temperatura del filamento extruido, o más bien, la temperatura de la cama y qué tan rápido/lento se deja enfriar. Estos problemas son; Alabeo y pata de elefante.

Deformación

Warping’ es la tendencia de una parte impresa a deformarse hacia arriba durante el proceso de impresión. El principal motivo de la deformación es que las capas inferiores se imprimen en una placa fría o en una plataforma de construcción y, a medida que se enfrían, se contraen más que las capas superiores.

Por lo tanto, las capas superiores se doblan hacia afuera a medida que se enfrían, lo que crea una tensión desigual en la pieza que conduce a la deformación.

Para reducir la deformación de una impresión 3D, los fabricantes introdujeron camas calientes en algunas de sus impresoras 3D que pueden usarse para evitar este enfriamiento rápido de las capas inferiores.

Entonces, ahora las capas inferiores se imprimirán en una cama caliente (que ya se calienta a una temperatura específica según el filamento que esté usando) y no se contraerán más que las capas superiores a medida que la impresión se enfría gradualmente. Por lo tanto, la deformación se reducirá significativamente si no se evita por completo.

Ahora bien, es así como conocer la temperatura de transición vítrea del filamento juega un papel importante; Antes de usar el filamento para imprimir un objeto en 3D, en lugar de calentar la cama a una temperatura aleatoria, si configuramos su temperatura muy cerca de la temperatura de transición vítrea del filamento, la deformación se eliminará por completo y la parte impresa también se adherirá. mejor a la cama.

Solo un consejo adicional, nivele la cama a la temperatura a la que va a imprimir, ya que esto producirá los mejores resultados.

Pata de elefante

La pata de elefante ocurre con mayor frecuencia como resultado de una primera capa sin enfriar. Si la temperatura de la cama de impresión es demasiado alta o si no hay suficiente enfriamiento, es posible que la primera capa no se enfríe lo suficientemente rápido y provoque la pata de elefante.

Este problema tiende a surgir principalmente en impresiones más grandes, ya que es causado por el peso del objeto que empuja hacia abajo la primera capa. Si no se enfría adecuadamente, este peso hace que la primera capa se abulte.

Dado que la temperatura de la cama es más alta que la temperatura de transición vítrea del filamento, esto hace que la parte inferior no se enfríe correctamente y se abulte hacia afuera.

Por lo tanto, conocer la temperatura de transición vítrea del filamento y luego ajustar la temperatura de la cama ligeramente más baja lo ayuda a eliminar el temido pie de elefante.

¿Cuándo es importante una temperatura de transición vítrea más alta?

La temperatura de transición vítrea puede proporcionar estimaciones aproximadas sobre la temperatura a la que una pieza impresa en 3D pasará directamente de un objeto útil "impreso" sólido a un objeto inútil "gomoso" suave que incluso puede deformarse por su propio peso.

Es por eso que conocer la temperatura del vidrio de un filamento específico le permitirá tomar una decisión más informada sobre cómo usar la pieza impresa en 3D, ya que algunos plásticos, como el PLA, comenzarán a deformarse con bastante rapidez si se dejan expuestos al sol o al sol. coche.

Filamentos para exterior

Si está imprimiendo en 3D un objeto para uso en exteriores, podría ser más adecuado usar un ABS similar a un filamento porque su temperatura de transición vítrea (105 °C) es mucho más alta que la temperatura exterior incluso en un día caluroso de verano, y como acabo de mencionar , el PLA puede deformarse si se deja afuera en el calor.

Hay muchos otros filamentos que se pueden usar en exteriores, como PETG, ASA y otros. Sin embargo, escribí un artículo completo sobre este tema, así que asegúrese de revisarlo también.

Usos que requieren material para soportar altas temperaturas

Si está imprimiendo objetos que estarán expuestos a altas temperaturas, entonces es esencial que utilice un tipo de filamento que tenga una temperatura de transición vítrea más alta, de lo contrario, probablemente se deformará.

Digamos que ha utilizado PETG T (82C) para imprimir en 3D una pieza que experimentará una temperatura alta de 85C-95C, seguramente fallará y desperdiciará su esfuerzo.

El PLA tiene una temperatura de transición vítrea muy baja, por lo que no recomendaría usarlo para nada que haga que el plástico se acerque a ese nivel de calor.

Por otro lado, existen muchos filamentos aptos para ser utilizados en altas temperaturas, como ABS, Policarbonato, ASA, etc. (nuevamente, vuelve a consultar la tabla al principio del post).

¿Se derretirá el PLA en un coche?

El PLA o ácido poliláctico es un termoplástico que se deriva de fuentes renovables como el maíz y la caña de azúcar. El PLA es un material de impresión 3D completo que tiene muy buena calidad de impresión con una buena adherencia de la capa y una resistencia moderada. De hecho, es una de mis mejores recomendaciones para engranajes, solo superada por el nailon.

¡Incluso puedes encontrar filamentos de PLA a base de maíz y soja que son biodegradables!

Sin embargo, el PLA es muy inadecuado para usarse en piezas de automóviles impresas en 3D, porque su Tg es (60-65C) y en un día caluroso y soleado, las piezas de automóviles impresas con PLA se deformarán.

Por supuesto, si está pensando en usar PLA para imprimir algunas piezas de repuesto en el compartimento del motor, ¡olvídese!

Esta es la razón por la que las piezas de automóviles generalmente están hechas de ABS, ya que no solo es un plástico más resistente, sino que su Tg también es significativamente más alta, es decir, 105C.

¿Es posible mejorar la temperatura de transición vítrea de una pieza de PLA?

Sí, puede mejorar la temperatura de transición vítrea de sus impresiones PLA mediante la introducción de aditivos, pero debe tener en cuenta las posibles compensaciones en cuanto a resistencia e infusibilidad.

Los derivados del PLA como TPLA o HTPLA ofrecen las ventajas del PLA estándar, pero pueden tratarse térmicamente después de la impresión. Esto les ayuda a mantener su forma y rigidez a temperaturas significativamente más altas en comparación con el PLA estándar.

Una temperatura de transición vítrea más alta hace que la pieza sea más rígida y resistente, y el mejor método para aumentar la temperatura de transición vítrea de los objetos 3D impresos a partir de un filamento PLA estándar es recocerlos (calentarlos hasta su temperatura de transición vítrea y por debajo de la temperatura de fusión). punto).

¿Cuáles son las ventajas del recocido?

El tratamiento térmico de la impresión 3D se denomina “recocido”.

Los métodos comunes para recocer objetos impresos en 3D son el uso de un horno atmosférico, un horno y fuentes de calor indirectas.

Esto reorganizará la estructura cristalina interna y hará que se formen granos más grandes, lo que dará como resultado objetos mucho más fuertes que son menos propensos a la separación de capas, y las pruebas han demostrado que recocer una pieza impresa en 3D puede generar un aumento del 40 % en la fuerza y ​​la resistencia general. .

Las únicas desventajas de esto son que, si se hace incorrectamente, el modelo terminará deformado y encogido en las direcciones X e Y mientras se expande en la dirección Z.

Otra cosa importante a considerar antes de recocer sus objetos es que requiere que los objetos se impriman con un 100 % de relleno. Sé que no suena ideal, pero recocer una impresión que tiene un 20 % o un 30 % de relleno hará que se contraiga de forma impredecible, lo que casi siempre dará malos resultados.

Durante este proceso, necesita el relleno para soportarlo, de lo contrario se deformará si hay espacios vacíos aleatorios o irregulares dentro del objeto.

El estilo de relleno más adecuado, económico y rápido para el proceso de recocido es el relleno de línea.

Más resistente

La impresión 3D es una técnica rentable para fabricar piezas y estructuras complejas con detalles intrincados. Sin embargo, algunos objetos impresos en 3D no tienen la misma integridad estructural que pueden tener los objetos hechos con moldeo por inyección, especialmente en condiciones exigentes como alta resistencia.

El recocido es una forma de mejorar las propiedades físicas de las piezas impresas en 3D, haciéndolas más duraderas porque las capas se fusionan con mucha más fuerza.

Aumenta la temperatura de transición vítrea

El proceso de recocido también aumenta la resistencia a la temperatura de los objetos impresos en 3D. La ciencia detrás de esto es bastante simple, los objetos impresos en 3D estándar tienen una estructura molecular amorfa que es aleatoria, no tienen un punto de fusión, sino que, cuando se calientan, se vuelven gradualmente más suaves hasta que se derriten por completo en un líquido. Durante el proceso de recocido, cuando calentamos los objetos 3D, sus moléculas se reorganizan en una estructura semicristalina parcialmente organizada.

Esto da como resultado enlaces intermoleculares más fuertes y, por lo tanto, temperaturas de transición vítrea más altas.

Realicé un experimento para averiguar qué sucede con la temperatura de transición vítrea de un objeto impreso a partir de un filamento PLA (Tg 60C) una vez que se recoce a 90C. Mis resultados mostraron que su temperatura de transición vítrea había aumentado a 110 °C.

Este es un aumento de casi el 100 % y, como consecuencia, elimina uno de los mayores desafíos de la impresión 3D de objetos con PLA estándar.

Posprocesamiento más fácil

La impresión 3D FDM produce una superficie rugosa en el exterior del objeto impreso. El modelo no es liso y esto significa que será más difícil de procesar más adelante, por ejemplo, pintura o lacado.

El proceso de recocido se puede utilizar para alisar las superficies de las impresiones, rellenar los agujeros que faltan y producir un modelo con una apariencia profesional.

Por lo tanto, el recocido minimiza el tiempo que lleva agregar los toques finales a su nueva impresión y también la fortalece.

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