Kad je reč o temperaturnoj otpornosti, raspon među materijalima za 3D štampu je ogroman: od PLA koji omekšava već na 60 do 65°C, do PEEK-a koji izdržava i preko 260°C. Između njih stoje PETG, ASA, TPU, polikarbonat, karbonski najlon i nekoliko tipova resina, svaki sa svojom granicom i svojom primenom. Ispod dajemo tačne brojke za svaki materijal koji štampamo, dodajemo par materijala koje ne štampamo ali se često pitaju za njih, i objašnjavamo zašto ista oznaka „otporno na toplotu“ ume da znači sasvim različite stvari u zavisnosti od toga kako je izmerena.
Šta tačno merimo kad govorimo o temperaturnoj otpornosti materijala?
Kad neko kaže da materijal „izdržava 200°C“, to retko znači da gotov deo od tog materijala može da nosi teret na 200°C bez posledica. Tri različite stvari se obično kriju iza jedne brojke.
Temperatura staklastog prelaza (Tg) je tačka na kojoj materijal prelazi iz krutog u mek, gumast oblik. Ispod nje je čvrst, iznad nje omekšava i gubi oblik pod sopstvenom težinom.
HDT, temperatura ugiba pod opterećenjem, je standardizovan test (ASTM D648 ili ISO 75) koji meri na kojoj temperaturi se šipka od materijala ugne za tačno određenu vrednost, pod tačno određenim opterećenjem, najčešće 0,45 MPa (blaže) ili 1,8 MPa (jače). Isti materijal testiran pod ova dva opterećenja daje dve različite brojke, i razlika ume da bude drastična.
Tačka topljenja je temperatura na kojoj materijal prelazi iz čvrstog u tečno stanje, i za većinu plastika koje se koriste u 3D štampi ona je daleko iznad temperature na kojoj deo praktično prestaje da bude upotrebljiv.
Dobar primer koliko opterećenje menja brojku: Formlabs-ov High Temp Resin, jedna od najotpornijih inženjerskih smola na tržištu, dostiže 238°C HDT pri blagom opterećenju od 0,45 MPa, nakon dodatnog termičkog očvršćavanja (post-cure). Pod jačim opterećenjem od 1,8 MPa ista formulacija pada na oko 101°C. Obe brojke su tačne, samo opisuju različite uslove.
Zato u tabeli na kraju teksta svaki materijal ima naznaku šta njegova brojka predstavlja, i zato se brojke iz različitih izvora za „isti“ materijal ponekad ne slažu: nisu merene na isti način.
Koliko toplote podnose PLA, PETG, ASA i TPU?
PLA, PETG i ASA su tri filamenta koja najčešće štampamo za funkcionalne delove, i njihova temperaturna otpornost raste upravo tim redosledom. TPU dodajemo posebno jer je elastomer i ne uklapa se u isto poređenje na isti način.
PLA omekšava već na 60 do 65°C (Wevolver), a topi se tek oko 180°C. Za bilo šta što stoji na suncu, blizu prozora ili u vozilu leti, to je problem: deo se trajno savije mnogo pre nego što bi se ikad otopio. PLA i dalje ostaje odličan izbor za dekorativne predmete, brze prototipove i delove koji žive u hladovini.
PETG ide korak dalje: staklasti prelaz oko 80°C, a realna kontinualna upotreba do otprilike 60°C. Dovoljno za funkcionalne delove u senci, kućišta koja se povremeno zagreju i spoljašnju upotrebu van direktnog letnjeg sunca.
ASA biramo kad deo mora da izdrži i toplotu i sunce istovremeno: otpornost do oko 100°C, uz najbolju UV otpornost od svih filamenata koje koristimo. Zbog toga ide na table automobila, spoljne oznake i delove izložene godinama na terasi ili u bašti.
Iz našeg iskustva, izbor između PETG i ASA gotovo uvek zavisi od jedne stvari: koliko direktnog sunca deo realno vidi. Za delove u senci unutar prostorije PETG je dovoljan i jeftiniji. Čim je deo napolju na direktnom suncu ili u vozilu na tabli, ide ASA.
TPU ne spada u ovo poređenje na isti način jer je elastomer: nema oštru granicu na kojoj se „lomi“, već postepeno gubi krutost sa toplotom. Standardni TPU podnosi kontinualnu upotrebu do otprilike 50 do 60°C, u zavisnosti od tvrdoće filamenta (Shore A vrednost), što je i dalje dovoljno za zaptivke, amortizere i zaštitne futrole, primene gde je fleksibilnost prioritet, ne temperatura.
Po čemu se PC, PC-CF i PA11-CF izdvajaju kao inženjerski filamenti?
Kad standardni filament nije dovoljan, sledeći korak su inženjerski materijali, i tu brojke skaču znatno.
Polikarbonat (PC) podnosi temperaturu do 113°C, uz visoku zateznu čvrstoću i otpornost na udarce. Štampamo ga za mehaničke delove pod naprezanjem i toplotom istovremeno, na primer kućišta i nosače blizu izvora toplote koje standardan filament ne bi izdržao.
PC-CF, polikarbonat ojačan karbonskim vlaknima, drži sličnu granicu od 114°C, ali je 5% lakši i mehanički jači od čistog PC. Slična formulacija drugog proizvođača (Prusament PC Blend Carbon Fiber) dostiže istih 114°C odmah posle štampe, a naknadnim žarenjem (annealing) i do 130°C. Biramo ga za zupčanike i delove mašina gde je odnos čvrstoće i težine bitan koliko i toplota.
PA11-CF, karbonski najlon, je najotporniji filament u našoj standardnoj ponudi: do 190°C. Neojačan najlon PA11 sam po sebi uopšte nije posebno otporan na toplotu: HDT mu je svega oko 54°C bez ojačanja, mereno pod jačim opterećenjem (tehnički podaci proizvođača sirovine, Arkema); pod blažim opterećenjem je ta vrednost znatno viša, što je i razlog zašto ovu brojku ne treba direktno porediti sa granicom PA11-CF od 190°C ako uslovi merenja nisu isti. Ono što je izvesno: karbonska vlakna značajno podižu i stabilnost i temperaturnu granicu PA11. Zbog toga PA11-CF biramo za pokretne mehaničke delove blizu motora ili u agresivnim hemijskim sredinama: zupčanike, čaure, delove koji moraju da klize i izdrže toplotu istovremeno.
Šta sa ABS-om, najlonom, polipropilenom i PEEK-om?
Van naše standardne ponude postoje još četiri materijala o kojima nas klijenti često pitaju, i vredi znati gde stoje na ovoj skali.
ABS je klasika: HDT oko 90°C (Formlabs), sličan mehanički profil kao ASA. Skoro uvek predlažemo ASA umesto njega, jer ASA ima istu ili bolju čvrstoću uz znatno bolju UV otpornost, dok je ABS poznat po neprijatnom mirisu pri štampi i lošijem ponašanju na uglovima (savijanje pri hlađenju).
Običan najlon (PA12, neojačan) topi se na oko 175 do 180°C, što zvuči visoko, ali je izuzetno higroskopan: upija vlagu iz vazduha, i ako se ne čuva suv pre štampe, gubi znatan deo čvrstoće i toplotne stabilnosti. To je i razlog zašto u našoj ponudi stoji ojačana, karbonska verzija (PA11-CF) umesto običnog najlona: ojačanje rešava mehanički i termalni problem u isto vreme.
Polipropilen (PP) je zanimljiv slučaj u kome se izvori zaista ne slažu: u zavisnosti od testa i proizvođača, HDT vrednosti u literaturi idu od oko 60°C do preko 110°C (Formlabs navodi čak 113°C za PP u prahu korišćen u SLS tehnologiji, dok drugi izvori za standardni filament beleže vrednosti duplo niže). Razlog je što je PP polukristalan materijal, veoma osetljiv na brzinu hlađenja, pa isti polimer u različitim procesima daje različite rezultate. Za pouzdanu FDM štampu to ga čini nepredvidljivim izborom baš tamo gde je precizna temperaturna granica bitna.
PEEK je krov cele priče: pravilno žarena štampa dostiže i do 260°C (Formlabs), a karbonski ojačane verzije i preko 300°C. Cena te izdržljivosti je oprema: PEEK traži mlaznicu na 370 do 420°C i grejanu komoru, što su specijalizovani industrijski štampači, ne standardna FDM mašina. PEEK trenutno nije u našoj ponudi, ali je tu kad nekom zaista treba apsolutni maksimum.
Koliko toplote podnosi resin?
Resin igra po drugačijim pravilima od filamenta, i raspon je jednako veliki.
Standardni resin (za minijature i figurice, i Jak Resin za detaljne delove) podnosi do 50°C. To je dovoljno za nakit, minijature i prototipove koji nikad ne vide direktnu toplotu, ali znači da isti deo ostavljen na tabli automobila leti ili blizu izvora toplote neće dobro proći.
Fleksibilni resin (tvrdoće oko 80 Shore A, slično gumi na đonu patike) podnosi umerene temperature. Elastomerni materijali kao ovaj se ne mere klasičnim HDT testom na isti način kao kruta plastika, jer nemaju oštru tačku „ugiba“, već postepeno menjaju ponašanje sa toplotom. Za prototipove, RC delove i medicinske modele gde je fleksibilnost prioritet, to u praksi nije ograničenje.
Resin otporan na visoke temperature je naš najotporniji materijal na celoj listi: do 280°C. I ovde važi isto upozorenje kao malopre: ta brojka je izmerena pod blagim opterećenjem, i kalup ili alat pod stvarnim mehaničkim pritiskom neće izdržati istu temperaturu kao prazna test-šipka u laboratoriji. Za kalupe, nosače i tehničke komponente koje vide visoku toplotu, ali ne i veliko mehaničko opterećenje, ovo je materijal koji taj zadatak rešava.
Visoka HDT vrednost na deklaraciji ne znači da deo može da nosi teret na toj temperaturi. Za deo koji istovremeno trpi i toplotu i mehaničko opterećenje, realna radna temperatura je uvek niža od deklarisanog maksimuma.
Resin za livenje je poseban slučaj i jedini materijal na ovoj listi koji uopšte nije napravljen da izdrži toplotu, već suprotno: dizajniran je da izgori potpuno čisto na 650 do 700°C, bez ostatka, tako da ostane samo precizna šupljina za livenje metala. Za nakit i industrijske kalupe to je tačno ono što treba, materijal koji nestane na komandu.
Koji materijal izabrati prema nameni i temperaturi?
| Materijal | Praktična granica | Šta brojka predstavlja | Primena |
|---|---|---|---|
| PLA | 60-65°C | Temperatura omekšavanja (Tg) | Dekoracije, brzi prototipovi, delovi u hladovini |
| PETG | ~80°C (kontinualno ~60°C) | Tg / realna kontinualna upotreba | Funkcionalni delovi u senci, spolja van direktnog sunca |
| ASA | ~100°C | Praktična granica | Delovi na direktnom suncu, table automobila, spoljne oznake |
| TPU | ~50-60°C kontinualno | Kontinualna upotreba (elastomer) | Zaptivke, amortizeri, fleksibilne futrole |
| Polikarbonat (PC) | 113°C | HDT | Mehanički delovi pod naprezanjem i toplotom |
| PC-CF | 114°C (do 130°C žareno) | HDT | Zupčanici, delovi mašina, laki i kruti delovi |
| PA11-CF | 190°C | HDT, ojačano karbonskim vlaknima | Pokretni delovi blizu motora, hemijski agresivna okruženja |
| ABS (ne štampamo) | ~90°C | HDT @ 0,45 MPa | Kod nas zamenjeno ASA |
| Najlon PA12, neojačan (ne štampamo) | topljenje ~175-180°C, osetljiv na vlagu | Tačka topljenja | Klizni delovi gde vlaga nije rizik |
| PP (ne štampamo) | ~60-113°C, izvori se razlikuju | HDT, jako zavisi od procesa | Živi zglobovi, ambalaža, hemijska otpornost |
| PEEK (ne štampamo) | do 260°C (žareno), CF verzije 300°C+ | HDT | Avio-industrija, medicina, ekstremni uslovi |
| Standardni resin (mini / Jak Resin) | 50°C | Praktična granica | Minijature, nakit, detaljni prototipovi |
| Fleksibilni resin | umerene temperature | Elastomer, bez standardnog HDT | RC delovi, medicinski modeli, gumeni prototipovi |
| Resin otporan na visoke temperature | do 280°C | HDT @ 0,45 MPa | Kalupi, alati, nosači niskog mehaničkog opterećenja |
| Resin za livenje | sagoreva na 650-700°C | Nije za otpornost, već za čisto sagorevanje | Kalupi za livenje nakita i metala |
Česta pitanja
Koja je razlika između temperature omekšavanja i tačke topljenja?
Temperatura omekšavanja, odnosno staklasti prelaz (Tg), je tačka na kojoj materijal gubi krutost i počinje da se savija pod opterećenjem. Tačka topljenja je mnogo viša temperatura na kojoj materijal prelazi u tečno stanje. PLA na primer omekšava već na 60 do 65°C, ali se topi tek oko 180°C, tako da se deo deformiše mnogo pre nego što bi se ikad otopio.
Zašto isti materijal ima različite HDT vrednosti u različitim izvorima?
Zato što HDT test meri temperaturu pri tačno određenom opterećenju, obično 0,45 MPa (blaže) ili 1,8 MPa (jače), i ta dva opterećenja daju različite brojke za isti materijal. Kad izvor ne navede pod kojim opterećenjem je mereno, brojke izgledaju kontradiktorne iako obe mogu biti tačne.
Koji materijal je najbolji izbor za delove blizu motora ili izvora toplote?
Za pokretne mehaničke delove blizu motora ili u vrućim, hemijski agresivnim okruženjima, PA11-CF sa otpornošću do 190°C je naš najjači standardni izbor. Za delove koji trpe visoku toplotu, ali manje mehaničko opterećenje, kao kalupe i nosače, resin otporan na visoke temperature je alternativa.
Da li je resin dobar izbor za delove izložene toploti?
Zavisi koji resin. Standardni resin za minijature i nakit podnosi samo do 50°C i nije izbor za toplotu, dok je resin otporan na visoke temperature napravljen tačno za tu namenu, uz napomenu da njegova deklarisana granica važi pod blagim opterećenjem, a ne pod punim mehaničkim teretom.
Da li 3Dimenzije može da odštampa deo u materijalu otpornijem na toplotu ako standardni ne zadovoljava?
Da. Ako projekat zahteva materijal van standardne ponude ili kombinaciju osobina koju nijedan standardni filament ili resin u potpunosti ne pokriva, dovoljno je da javite gde deo stoji i čemu je izložen. Predložićemo materijal koji odgovara toj primeni ili ćemo ga po potrebi nabaviti specijalno za taj projekat.
Zaključak
Temperaturna otpornost 3D štampanog dela zavisi od tri stvari: materijala, načina merenja i realnog opterećenja kojem je deo izložen. Od PLA koji popušta već na 60°C do PA11-CF i resina otpornog na visoke temperature koji izdržavaju i preko 190°C, izbor zavisi isključivo od toga gde deo stoji i čemu je izložen.
Ako niste sigurni koji materijal odgovara vašem projektu, pošaljite nam model i informaciju gde će deo stajati i čemu je izložen. Predložićemo materijal koji stvarno radi taj posao. Pogledajte i stranicu za FDM štampanje ili resin štampanje za više detalja o svakom procesu.