Températures de transition vitreuse des filaments 3D

Dans cet article, je vais expliquer ce qu'est la transition vitreuse, les températures auxquelles les types de filaments les plus courants atteignent cet état de transition vitreuse ainsi que leurs températures de fusion, qui ne sont certainement pas les mêmes, comment atteindre une température de transition vitreuse plus élevée sur des modèles imprimés en 3D qui ont été imprimés avec un filament à basse température de transition vitreuse (comme le PLA), et bien plus encore !

Alors, sans plus tarder, allons-y directement !

Qu'est-ce que la température de transition vitreuse ?

En chimie, la température de transition vitreuse (Tg) est la température à laquelle un matériau subit une transition d'un état cristallin rigide à un état amorphe vitreux. En d'autres termes, la température de transition vitreuse est la température à laquelle un solide change ses propriétés physiques de celles d'un solide cristallin dur à celles d'un solide amorphe (état caoutchouteux).

La température de transition vitreuse est la température à laquelle le mouvement moléculaire est essentiellement gelé. C'est le résultat direct de la force des forces attractives intermoléculaires comme les forces de Van der Waal.

Les forces de Van der Waal sont dues à l'accumulation d'électrons dans les molécules. S'il y a trop d'énergie thermique, les forces d'attraction entre les molécules sont détruites et la température de transition vitreuse se produit.

Pour ceux qui ne parlent pas « Chimie » :la température de transition vitreuse d'un matériau est la température à laquelle il passe d'un solide dur et un peu cassant à un matériau plus mou et un peu caoutchouteux/gluant. Je ne veux pas dire "gluant" dans le sens de gomme ou de sirop, juste que vous pouvez presser mais sans rien casser ni casser.

Températures de transition vitreuse et de fusion des filaments 3D

Filaments	Température de la buse	Tg de température de transition vitreuse (C)	Temp de fusion Tm (C)	Lit chauffant Temporaire	Risque de distorsion	Facilité d'utilisation	Coût
PLA	180 °C – 230 °C	60-65 °C	155 °C	60 °C mais pas obligatoire)	Faible	Facile	10 $ – 25 $
ABS	230°C – 250°C	105 °C	Amorphe	Env. 100 °C	Modéré	Intermédiaire	15 $ – 25 $
GPE	230°C – 250°C	80-82 °C	210 °C	Env. 100 °C	Bas	Facile	15 $ – 20 $
Nylon	230°C – 260°C	70-80 °C	217 °C	80 °C – 100 °C	Modéré	Intermédiaire	50 $ – 65 $
ASA	220 °C – 250 °C	100 °C	250-260 °C	Env. 100 °C	Bas	Intermédiaire	30 $ – 50 $
Polycarbonate	270 °C – 310 °C	147 °C	260 °C	90 °C – 110 °C	Élevé	Difficile	30 $ – 60 $
HANCHES	230°C – 250°C	88-92 °C	180 – 270°C	Env. 100 °C	Bas	Intermédiaire	20 $ – 60 $
TPE	210°C – 230°C	60-130 °C	150–210 °C	Non requis	Bas	Facile	80 $ – 100 $

Différence entre la transition vitreuse et la température de fusion d'un filament ?

Curieusement, la température de transition vitreuse (Tg) et la température de fusion (Tm) sont des propriétés physiques étroitement liées, mais elles ne sont pas du tout la même chose, bien que les deux traitent d'un changement d'état, les deux termes représentent des choses assez différentes.

La transition vitreuse, phénomène lié à la viscosité, n'est pas nécessairement le point de croisement entre le solide et le liquide; c'est le point de croisement entre un solide rigide et un solide caoutchouteux. Scientifiquement parlant, voici comment ils diffèrent :la température de fusion est la température à laquelle un solide commence à fondre en un liquide, tandis que la température de transition vitreuse représente le point auquel un solide devient caoutchouteux mais pas liquide.

Pour comprendre cela, imaginons que vous faites une pizza; A la sortie du congélateur, les tranches de fromage sont dures mais après quelques minutes à température ambiante elles deviennent molles et caoutchouteuses. Cela pourrait être considéré comme la température de transition vitreuse (Tg) du fromage.

Lorsque vous étalez le fromage sur la pizza et que vous le faites cuire au four, il fond et cela serait considéré comme la température de fusion (Tm) du fromage, c'est-à-dire la température à laquelle il fond d'un solide caoutchouteux à un liquide visqueux gluant.

Que signifie une température de transition vitreuse plus élevée ?

Une température de transition vitreuse (Tg) plus élevée signifie qu'un matériau met plus de temps à se transformer d'un solide en un matériau mou lorsque vous le chauffez. Par exemple, si vous appliquez de la chaleur sur quelque chose avec une Tg de 200 C, il deviendra mou à 200 C.

Un matériau avec une Tg de 390 C devient mou à 390 C. Par mou, je veux dire qu'il perd sa résistance à la traction, sa rigidité et sa rigidité. L'objet peut même se déformer sous son propre poids s'il est soumis à une température supérieure à sa température de transition vitreuse Tg.

Qu'arrive-t-il au filament lorsqu'il est au-dessus de sa température de transition vitreuse ?

Un filament qui est au-dessus de sa température de transition vitreuse (Tg) est dans un état vitreux thermodynamiquement instable et il présentera toutes les propriétés d'un liquide.

Vous pouvez vous référer au tableau que j'ai mentionné plus tôt à propos de la température de transition vitreuse de votre type de filament spécifique, mais je vous conseille toujours de vérifier les spécifications du filament que vous avez acheté car le fabricant aura des instructions plus détaillées sur la façon de imprimez avec.

Pourquoi est-ce pertinent lors du réglage de la température du lit chauffant ?

Deux problèmes principaux peuvent survenir, liés à la température du filament extrudé, ou plutôt à la température du lit et à la vitesse / lenteur de son refroidissement. Ces problèmes sont; Déformation et pied d'éléphant.

Déformation

Le gauchissement est la tendance d'une pièce imprimée à se déformer vers le haut pendant le processus d'impression. La principale raison du gauchissement est que les couches inférieures sont imprimées sur une plaque froide ou une plate-forme de construction et qu'en refroidissant, elles se contractent davantage que les couches supérieures.

Par conséquent, les couches supérieures se plient vers l'extérieur lorsqu'elles refroidissent, créant une tension inégale sur la pièce, entraînant un gauchissement.

Pour réduire la déformation d'une impression 3D, les fabricants ont introduit des lits chauffants sur certaines de leurs imprimantes 3D qui peuvent être utilisés pour éviter ce refroidissement rapide des couches inférieures.

Ainsi, les couches inférieures seront désormais imprimées sur un lit chauffant (qui est déjà chauffé à une température spécifique en fonction du filament que vous utilisez) et ne se contracteront pas plus que les couches supérieures à mesure que l'impression se refroidit progressivement. Par conséquent, la déformation sera considérablement réduite si elle n'est pas entièrement évitée.

Or, c'est ainsi que la connaissance de la température de transition vitreuse du filament joue un rôle important; Avant d'utiliser le filament pour imprimer un objet en 3D, au lieu de chauffer le lit à une température aléatoire, si nous réglons sa température très près de la température de transition vitreuse du filament, le gauchissement sera complètement éliminé et la pièce imprimée adhérera également mieux vaut aller au lit.

Juste un conseil supplémentaire, nivelez le lit à la température à laquelle vous allez imprimer, car cela donnera les meilleurs résultats.

Patte d'éléphant

Le pied d'éléphant survient le plus souvent à la suite d'une première couche non refroidie. Si la température du lit d'impression est trop élevée ou si le refroidissement est insuffisant, la première couche peut ne pas refroidir assez rapidement, ce qui provoque la patte d'éléphant.

Ce problème a tendance à survenir principalement dans les impressions plus grandes, car il est causé par le poids de l'objet qui appuie sur la première couche. S'il n'est pas correctement refroidi, ce poids entraîne le renflement de la première couche.

Étant donné que la température du lit est supérieure à la température de transition vitreuse du filament, le fond ne se refroidit pas correctement et se gonfle vers l'extérieur.

Par conséquent, connaître la température de transition vitreuse du filament, puis régler la température du lit légèrement plus bas vous aide à éliminer le redoutable pied d'éléphant.

Quand une température de transition vitreuse plus élevée est-elle importante ?

La température de transition vitreuse peut fournir des estimations approximatives de la température à laquelle une pièce imprimée en 3D passera directement d'un objet utile "imprimé" solide à un objet inutile "caoutchouteux" mou qui peut même se déformer sous son propre poids.

C'est pourquoi connaître la température du verre d'un filament spécifique vous permettra de prendre une décision plus éclairée sur l'utilisation de la pièce imprimée en 3D, car certains plastiques, comme le PLA, commenceront à se déformer assez rapidement s'ils sont laissés au soleil ou à la voiture.

Filaments pour usage extérieur

Si vous imprimez en 3D un objet pour une utilisation en extérieur, il peut être plus approprié d'utiliser un ABS de type filament car sa température de transition vitreuse (105C) est beaucoup plus élevée que la température extérieure même par une chaude journée d'été, et comme je viens de le mentionner , le PLA peut se déformer s'il est laissé à l'extérieur dans la chaleur.

Il existe de nombreux autres filaments qui peuvent être utilisés à l'extérieur, comme le PETG, l'ASA et autres. Cependant, j'ai écrit un article entier sur ce sujet, alors assurez-vous de le consulter également.

Utilisations qui nécessitent un matériau pour résister à des températures élevées

Si vous imprimez des objets qui seront exposés à des températures élevées, il est essentiel que vous utilisiez un type de filament qui a une température de transition vitreuse plus élevée, sinon il se déformera probablement.

Disons que vous avez utilisé le PETG T (82C) pour imprimer en 3D une pièce qui subira une température élevée de 85C-95C, cela échouera sûrement et gaspillera vos efforts.

Le PLA a une température de transition vitreuse très basse, c'est pourquoi je ne recommanderais pas de l'utiliser pour tout ce qui ferait en sorte que le plastique se rapproche de ce niveau de chaleur.

D'autre part, il existe de nombreux filaments adaptés à une utilisation à haute température, tels que l'ABS, le Polycarbonate, l'ASA, etc. (encore une fois, reportez-vous au tableau au début de l'article).

Le PLA va-t-il fondre dans une voiture ?

Le PLA ou acide polylactique est un thermoplastique dérivé de sources renouvelables telles que le maïs et la canne à sucre. Le PLA est un matériau d'impression 3D polyvalent qui offre une très bonne qualité d'impression avec une bonne adhérence des couches et une résistance modérée. En fait, c'est l'une de mes principales recommandations pour les engrenages, juste après le nylon.

Vous pouvez même trouver des filaments PLA à base de soja et à base de maïs qui sont biodégradables !

Cependant, le PLA est très inadapté à l'impression 3D de pièces automobiles, car sa Tg est (60-65C) et par une journée chaude et ensoleillée, les pièces automobiles imprimées à partir de PLA se déformeront.

Bien sûr, si vous envisagez d'utiliser du PLA pour imprimer des pièces de rechange dans le compartiment moteur, oubliez-le !

C'est pourquoi les pièces automobiles sont généralement fabriquées en ABS, car ce n'est pas seulement un plastique plus résistant, mais sa Tg est également nettement plus élevée, c'est-à-dire 105C.

Est-il possible d'améliorer la température de transition vitreuse d'une pièce en PLA ?

Oui, vous pouvez améliorer la température de transition vitreuse de vos impressions PLA en introduisant des additifs, mais vous devez être conscient des compromis potentiels en termes de résistance et d'infusibilité.

Les dérivés du PLA comme le TPLA ou le HTPLA offrent les avantages du PLA standard mais peuvent être traités thermiquement après impression. Cela les aide à conserver leur forme et leur rigidité à des températures nettement plus élevées par rapport au PLA standard.

Une température de transition vitreuse plus élevée rend la pièce plus rigide et plus résistante, et la meilleure méthode pour augmenter la température de transition vitreuse des objets 3D imprimés à partir d'un filament PLA standard consiste à les recuire (en les chauffant jusqu'à leur température de transition vitreuse et en dessous de la température de fusion pointe).

Quels sont les avantages du recuit ?

Le traitement thermique de l'impression 3D est appelé "recuit".

Les méthodes courantes de recuit d'objets imprimés en 3D utilisent un four atmosphérique, un four et des sources de chauffage indirectes.

Cela réorganisera la structure cristalline interne et entraînera la formation de grains plus gros, ce qui se traduira par des objets beaucoup plus solides et moins sujets à la séparation des couches, et des tests ont montré que le recuit d'une pièce imprimée en 3D peut entraîner une augmentation de 40 % de la résistance et de la résistance globale. .

Le seul inconvénient est que si cela n'est pas fait correctement, le modèle finira par se déformer et rétrécir dans les directions X et Y tout en se dilatant dans la direction Z.

Une autre chose importante à considérer avant de recuire vos objets est que cela nécessite que les objets soient imprimés avec un remplissage à 100 %. Je sais que cela ne semble pas idéal, mais recuire une impression avec un remplissage de 20 % ou 30 % la fera se contracter de manière imprévisible, ce qui donnera presque toujours de mauvais résultats.

Au cours de ce processus, il a besoin du remplissage pour le supporter, sinon il se déformera s'il y a des espaces vides aléatoires ou irréguliers à l'intérieur de l'objet.

Le style de remplissage le plus approprié, le moins cher et le plus rapide pour le processus de recuit est le remplissage en ligne.

Plus résistant

L'impression 3D est une technique rentable pour fabriquer des pièces et des structures complexes avec des détails complexes. Cependant, certains objets imprimés en 3D n'ont pas la même intégrité structurelle que les objets fabriqués par moulage par injection, en particulier dans des conditions exigeantes telles qu'une résistance élevée.

Le recuit est un moyen d'améliorer les propriétés physiques des pièces imprimées en 3D, les rendant plus durables car les couches fusionnent beaucoup plus fortement.

Il augmente la température de transition vitreuse

Le processus de recuit augmente également la résistance à la température des objets imprimés en 3D. La science derrière cela est assez simple, les objets imprimés en 3D standard ont une structure moléculaire amorphe qui est aléatoire, ils n'ont pas de point de fusion, au lieu de cela, lorsqu'ils sont chauffés, ils deviennent progressivement plus mous jusqu'à ce qu'ils fondent complètement dans un liquide. Au cours du processus de recuit, lorsque nous chauffons les objets 3D, leurs molécules se réarrangent en une structure semi-cristalline partiellement organisée.

Il en résulte des liaisons intermoléculaires plus fortes et donc des températures de transition vitreuse plus élevées.

J'ai réalisé une expérience pour comprendre ce qui arrive à la température de transition vitreuse d'un objet imprimé à partir d'un filament PLA (Tg 60C) une fois qu'il est recuit à 90C. Mes résultats ont montré que sa température de transition vitreuse avait augmenté jusqu'à 110 C.

Il s'agit d'une augmentation de près de 100 % et, par conséquent, élimine l'un des plus grands défis de l'impression 3D d'objets avec du PLA standard.

Post-traitement plus facile

L'impression 3D FDM produit une surface rugueuse à l'extérieur de l'objet imprimé. Le modèle n'est pas lisse et cela signifie qu'il sera plus difficile à traiter par la suite, par exemple la peinture ou le laquage.

Le processus de recuit peut être utilisé pour lisser les surfaces des impressions, combler les trous manquants et produire un modèle d'apparence professionnelle.

Par conséquent, le recuit minimise le temps nécessaire pour ajouter la touche finale à votre nouvelle impression et la rend également plus résistante !

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