Memahami Suhu Transisi Kaca Filamen 3D dan Cara Mengoptimalkannya

Dalam artikel ini, saya akan membahas apa itu transisi kaca, suhu di mana jenis filamen paling umum mencapai kondisi transisi kaca beserta suhu lelehnya, yang tentu berbeda, bagaimana mencapai suhu transisi kaca yang lebih tinggi pada model 3D yang dicetak dengan filamen yang memiliki suhu transisi kaca rendah (seperti PLA), dan banyak lagi!

Jadi, tanpa basa-basi lagi, mari kita langsung mulai!

Apa itu suhu transisi kaca?

Dalam kimia, suhu transisi kaca (Tg) adalah suhu di mana suatu bahan berubah dari keadaan kristal yang kaku menjadi keadaan amorf yang seperti kaca. Dengan kata lain, suhu transisi kaca adalah suhu di mana suatu padat mengubah properti fisiknya dari padat kristal yang keras menjadi padat amorf (karet lunak).

Suhu transisi kaca adalah suhu di mana gerakan molekul secara esensial membeku. Ini adalah hasil langsung dari kekuatan gaya tarik antar molekul seperti gaya Van der Waal.

Gaya Van der Waal disebabkan oleh acumulasi elektron dalam molekul. Jika ada terlalu banyak energi panas, gaya tarik antar molekul hancur dan suhu transisi kaca terjadi.

Bagi yang tidak paham "kimia": suhu transisi kaca suatu bahan adalah suhu di mana bahan berubah dari padat yang keras dan agak rapuh menjadi bahan yang lebih lunak dan agak seperti karet/lenyap. Saya tidak maksud 'lenyap' dalam arti gusi atau sirup, hanya bahwa Anda bisa meremasnya tanpa pecah atau rusak.

Suhu transisi kaca dan suhu leleh filamen 3D

Filamen	Suhu Nozzle	Suhu Transisi Kaca Tg (°C)	Suhu Leleh Tm (°C)	Suhu Meja Pemanas	Risiko Rontok	Kemudahan Penggunaan	Biaya
PLA	180°C – 230°C	60-65°C	155°C	60°C (tidak diperlukan)	Rendah	Mudah	$10 – $25
ABS	230°C – 250°C	105°C	Amorf	Lebih kurang 100°C	Sedang	Menengah	$15 – $25
PETG	230°C – 250°C	80-82°C	210°C	Lebih kurang 100°C	Rendah	Mudah	$15 – $20
Nylon	230°C – 260°C	70-80°C	217°C	80°C – 100°C	Sedang	Menengah	$50 – $65
ASA	220°C – 250°C	100°C	250-260°C	Lebih kurang 100°C	Rendah	Menengah	$30 – $50
PoliKarbonat	270°C – 310°C	147°C	260°C	90°C – 110°C	Tinggi	Sulit	$30 – $60
HIPS	230°C – 250°C	88-92°C	180 – 270°C	Lebih kurang 100°C	Rendah	Menengah	$20 – $60
TPE	210°C – 230°C	60-130°C	150–210°C	Tidak diperlukan	Rendah	Mudah	$80 – $100

Perbedaan antara Suhu Transisi Kaca dan Suhu Leleh suatu filamen?

Secara menarik, Suhu Transisi Kaca (Tg) dan Suhu Leleh (Tm) adalah properti fisik yang erat terkait tetapi sama sekali tidak sama, meskipun keduanya berhubungan dengan perubahan keadaan, kedua istilah mewakili hal yang cukup berbeda.

Transisi Kaca, fenomena yang terkait dengan viskositas, bukan titik peralihan antara padat dan cair; ini adalah titik peralihan antara padat kaku dan padat seperti karet. Secara ilmiah, berikut adalah perbedaannya: Suhu leleh adalah suhu di mana padat mulai meleleh menjadi cair, sementara Suhu Transisi Kaca mewakili titik di mana padat menjadi seperti karet tetapi tidak cair.

Untuk memahami ini, bayangkan Anda membuat pizza; ketika irisan keju diambil dari freezer, mereka keras tetapi setelah beberapa menit di suhu ruangan mereka menjadi lunak dan seperti karet. Ini dapat dianggap sebagai Suhu Transisi Kaca (Tg) keju.

Saat Anda meratakan keju di atas pizza dan memanggangnya di oven, ia meleleh, dan ini akan dianggap sebagai Suhu Leleh (Tm) keju, yaitu suhu di mana ia meleleh dari padat karet lunak menjadi cair viskus lengket.

Apa artinya suhu transisi kaca yang lebih tinggi?

Suhu transisi kaca (Tg) yang lebih tinggi berarti suatu bahan membutuhkan waktu lebih lama untuk berubah dari padat menjadi lunak saat Anda memanaskannya. Misalnya, jika Anda memberikan panas pada sesuatu dengan Tg 200 C, ia akan menjadi lunak pada 200 C.

Suatu bahan dengan Tg 390 C menjadi lunak pada 390 C. Dengan lunak, saya maksud ia kehilangan kekuatan tarik, kekakuan, dan ketegangan. Objek bahkan dapat merubah bentuk di bawah bobotnya sendiri jika diberi suhu yang lebih tinggi dari suhu transisi kaca Tg-nya.

Apa yang terjadi pada filamen ketika berada di atas suhu transisi kaca-nya?

Filamen yang berada di atas suhu transisi kaca (Tg) berada dalam keadaan kaca amorf yang tidak stabil termodinamis dan akan menunjukkan semua properti cair.

Anda dapat merujuk pada tabel yang saya sebutkan sebelumnya tentang Suhu Transisi Kaca dari jenis filamen spesifik Anda, tetapi saya selalu menyarankan Anda untuk memeriksa spesifikasi filamen yang Anda beli karena produsen akan memiliki instruksi yang lebih mendalam tentang cara mencetak dengannya.

Mengapa ini relevan saat mengatur suhu meja pemanas?

Ada dua masalah utama yang dapat timbul yang terkait dengan suhu filamen yang di-ekstrusi, atau lebih tepatnya, suhu meja dan seberapa cepat/lambat ia diizinkan untuk mendingin. Masalah-masalah ini adalah; Rontok dan Kaki Gajah.

Rontok

'Rontok' adalah kecenderungan bagian cetakan untuk membengkok ke atas selama proses pencetakan. Alasan utama rontok adalah lapisan bawah dicetak pada plat dingin atau platform bangunan dan saat mereka mendingin, mereka menyusut lebih banyak daripada lapisan atas.

Oleh karena itu, lapisan atas melengkung ke luar saat mendingin sehingga menciptakan tegang tidak merata pada bagian yang mengakibatkan rontok.

Untuk mengurangi rontok pada cetakan 3D, produsen memperkenalkan meja pemanas pada beberapa printer 3D mereka yang dapat digunakan untuk menghindari pendinginan cepat lapisan bawah ini.

Jadi, sekarang lapisan bawah akan dicetak pada meja pemanas (yang sudah dipanaskan pada suhu tertentu tergantung pada filamen yang Anda gunakan) dan tidak akan menyusut lebih banyak daripada lapisan atas saat cetakan secara bertahap mendingin. Maka, rontok akan secara signifikan berkurang bahkan dapat dihindari sepenuhnya.

Sekarang, inilah bagaimana mengetahui suhu transisi kaca filamen memainkan peran yang signifikan; Sebelum menggunakan filamen untuk mencetak objek 3D, alih-alih memanaskan meja pada suhu acak, jika kita mengatur suhunya sangat dekat dengan suhu transisi kaca filamen, rontok akan sepenuhnya dihilangkan, dan bagian yang dicetak juga akan lebih menempel pada meja.

Tips tambahan, ratakan meja pada suhu yang akan Anda gunakan untuk mencetak, karena ini akan memberikan hasil terbaik.

Kaki Gajah

Kaki Gajah paling sering terjadi sebagai hasil dari lapisan pertama yang tidak pendingin. Jika suhu meja cetak terlalu tinggi, atau jika pendinginan tidak mencukupi, lapisan pertama mungkin tidak mendingin cukup cepat, yang menyebabkan Kaki Gajah.

Masalah ini cenderung timbul terutama pada cetakan yang lebih besar, karena disebabkan oleh bobot objek yang menekan lapisan pertama. Jika tidak pendingin dengan benar, bobot ini menghasilkan lapisan pertama yang membengkok ke luar.

Karena suhu meja lebih tinggi dari suhu transisi kaca filamen, ini menyebabkan bawah tidak mendingin dengan baik dan membengkok ke luar.

Maka, mengetahui suhu transisi kaca filamen dan kemudian mengatur suhu meja sedikit lebih rendah membantu Anda menghilangkan Kaki Gajah yang takutkan ini.

Kapan suhu transisi kaca yang lebih tinggi penting?

Suhu transisi kaca dapat memberikan perkiraan tentang suhu di mana bagian cetakan 3D akan berubah secara langsung dari objek berguna padat 'dicetak' menjadi objek yang tidak berguna lunak 'karet' yang bahkan dapat merubah bentuk di bawah bobotnya sendiri.

Ini sebabnya mengetahui suhu kaca dari filamen spesifik akan memungkinkan Anda membuat keputusan yang lebih tepat tentang cara menggunakan bagian cetakan 3D, karena beberapa plastik, seperti PLA, akan mulai merubah bentuk cukup cepat jika ditinggalkan di bawah sinar matahari atau di dalam mobil.

Filamen untuk penggunaan di luar ruangan

Jika Anda mencetak objek untuk penggunaan di luar ruangan, mungkin lebih cocok untuk menggunakan filamen seperti ABS karena suhu transisi kaca-nya (105C) jauh lebih tinggi dari suhu di luar bahkan pada hari panas musim panas, dan seperti yang baru saya sebutkan, PLA mungkin merubah bentuk jika ditinggalkan di luar pada panas.

Ada banyak filamen lain yang dapat digunakan di luar ruangan, seperti PETG, ASA, dan lainnya. Namun, saya telah menulis seluruh artikel tentang subjek ini, jadi pastikan untuk memeriksanya juga.

Penggunaan yang memerlukan bahan untuk menahan suhu tinggi

Jika Anda mencetak objek yang akan terkena suhu tinggi, maka penting bagi Anda untuk menggunakan jenis filamen yang memiliki suhu transisi kaca yang lebih tinggi, jika tidak kemungkinan besar akan merubah bentuk.

Misalnya, Anda telah menggunakan PETG T (82C) untuk mencetak bagian yang akan mengalami suhu tinggi 85C-95C, itu pasti akan gagal dan membuang usaha Anda.

PLA memiliki Suhu Transisi Kaca yang sangat rendah, itulah sebabnya saya tidak akan merekomendasikan menggunakannya untuk apapun yang akan membuat plastik mendekati tingkat panas tersebut.

Di sisi lain, ada banyak filamen yang cocok untuk digunakan pada suhu tinggi, seperti ABS, Polikarbonat, ASA, dll. (lagi, merujuk pada tabel di awal posting ini).

Apakah PLA akan meleleh di dalam mobil?

PLA atau asam polilaktik adalah termoplastik yang berasal dari sumber terbarukan seperti jagung dan tebu. PLA adalah bahan cetak 3D yang serbaguna dengan kualitas cetak yang sangat baik dengan adhesi lapisan yang baik dan kekuatan sedang, sebenarnya, ini adalah salah satu rekomendasi terbaik saya untuk gigi roda, kedua hanya setelah nylon.

Anda bahkan dapat menemukan filamen PLA berbasis kedelai dan berbasis jagung yang dapat terurai secara biologis!

Namun, PLA sangat tidak cocok untuk digunakan mencetak bagian mobil, karena Tg-nya (60-65C) dan pada hari panas yang cerah, bagian mobil yang dicetak dari PLA akan merubah bentuk.

Tentu, jika Anda memikirkan menggunakan PLA untuk mencetak beberapa bagian pengganti di ruang mesin, lupakan saja!

Ini sebabnya bagian mobil biasanya terbuat dari ABS karena ia tidak hanya plastik yang lebih tahan tapi Tg-nya juga jauh lebih tinggi yaitu 105C.

Apakah mungkin untuk meningkatkan suhu transisi kaca bagian PLA?

Ya, Anda dapat meningkatkan suhu transisi kaca cetakan PLA Anda dengan menambahkan aditif, tetapi Anda perlu menyadari potensi trade-off dalam kekuatan dan ketahanan panas.

Turunan PLA seperti TPLA atau HTPLA menawarkan keuntungan PLA standar tetapi dapat dipanaskan setelah dicetak. Ini membantu mereka mempertahankan bentuk dan kekakuan pada suhu yang jauh lebih tinggi dibandingkan PLA standar.

Suhu transisi kaca yang lebih tinggi membuat bagian lebih kaku dan lebih tahan, dan metode terbaik untuk meningkatkan suhu transisi kaca objek 3D yang dicetak dari filamen PLA standar adalah dengan melakukannya annealing (memanaskannya hingga suhu transisi kaca dan di bawah titik leleh).

Apa keuntungan annealing?

Perlakuan termal pada cetakan 3D disebut 'annealing'.

Metode umum annealing objek 3D adalah menggunakan furnace atmosfer, oven, dan sumber pemanas tidak langsung.

Ini akan mengorganisir ulang struktur kristal internal dan menyebabkan butir lebih besar terbentuk, yang akan menghasilkan objek yang jauh lebih kuat dan kurang rentan terhadap pemisahan lapisan, dan uji menunjukkan bahwa annealing bagian cetakan 3D dapat menghasilkan peningkatan kekuatan sebesar 40% dan resistensi keseluruhan.

Kehampaan satu satunya dari ini adalah jika dilakukan dengan salah, model akan akhirnya rontok dan menyusut di arah X dan Y sambil melebar di arah Z.

Satu hal penting yang perlu dipertimbangkan sebelum annealing objek Anda adalah bahwa itu membutuhkan objek dicetak dengan infill 100%. Saya tahu itu tidak terdengar ideal tetapi annealing cetakan yang memiliki infill 20% atau 30% akan menyebabkan ia menyusut dengan cara yang tidak dapat diprediksi menghasilkan, hampir selalu, hasil buruk.

Selama proses ini, ia membutuhkan infill untuk mendukungnya, jika tidak ia akan merubah bentuk jika ada ruang kosong acak atau tidak teratur di dalam objek.

Gaya infill paling cocok, lebih murah, dan lebih cepat untuk proses annealing adalah infill garis.

Lebih tahan

Pencetakan 3D adalah teknik yang hemat biaya untuk memproduksi bagian dan struktur kompleks dengan detail rumit. Namun, beberapa objek cetakan 3D tidak memiliki integritas struktural yang sama dengan objek yang dibuat dengan injeksi cetak, terutama dalam kondisi yang menuntut seperti kekuatan tinggi.

Annealing adalah salah satu cara untuk meningkatkan properti fisik bagian cetakan 3D, membuatnya lebih tahan lama karena lapisan menyatu dengan jauh lebih kuat.

Ia Meningkatkan suhu transisi kaca

Proses annealing juga meningkatkan resistensi suhu objek cetakan 3D. Ilmu di balik ini cukup sederhana, objek cetakan 3D standar memiliki struktur molekular amorf yang acak, mereka tidak memiliki titik leleh, alih-alih saat dipanaskan, mereka secara bertahap menjadi lebih lunak hingga meleleh sepenuhnya menjadi cair. Selama proses annealing, saat kita memanaskan objek 3D, molekul mereka menata ulang diri dalam struktur semi-kristal yang sebagian terorganisir.

Ini menghasilkan ikatan antar molekul yang lebih kuat dan sehingga suhu transisi kaca yang lebih tinggi.

Saya melakukan eksperimen untuk mengetahui apa yang terjadi pada suhu transisi kaca objek yang dicetak dari filamen PLA (Tg 60C) setelah di-anneal pada 90C. Hasil saya menunjukkan bahwa suhu transisi kaca-nya telah meningkat menjadi 110C.

Ini hampir peningkatan 100% dan sebagai konsekuensi menghilangkan salah satu tantangan terbesar dalam mencetak objek 3D dengan PLA standar.

Pemrosesan pasca lebih mudah

Pencetakan FDM 3D menghasilkan permukaan yang kasar di luar objek yang dicetak. Model tidak halus dan ini berarti akan lebih sulit untuk diproses nanti, misalnya melukis atau melapis.

Proses annealing dapat digunakan untuk meratakan permukaan cetakan, mengisi lubang yang hilang dan menghasilkan model dengan tampilan profesional.

Maka, annealing meminimalkan waktu yang dibutuhkan untuk menambahkan sentuhan akhir pada cetakan baru Anda dan juga membuatnya lebih kuat!

Lihat bagian produk kami yang direkomendasikan

Kami membuat bagian produk yang direkomendasikan yang akan memungkinkan Anda untuk menghilangkan tebakan dan mengurangi waktu yang dihabiskan untuk meneliti printer, filamen, atau upgrade yang akan diperoleh, karena kami tahu ini bisa menjadi tugas yang sangat menakutkan dan secara umum mengarah pada banyak kebingungan.

Kami telah memilih hanya sejumlah printer 3D yang kami pertimbangkan baik untuk pemula maupun menengah, dan bahkan pakar, membuat keputusan lebih mudah, dan filamen serta upgrade yang terdaftar semuanya telah diuji oleh kami dan dipilih dengan hati-hati, jadi Anda tahu bahwa mana pun yang Anda pilih akan bekerja sebagaimana mestinya.