Még ha kezdő is a 3D nyomtatás világában, valószínűleg hallott már a PLA filamentről, ami a legnépszerűbb 3D nyomtatási anyagok egyike. A politejsav ,röviden PLA, egy olyan anyag, ami biológiailag lebomlik, és természetes alapanyagokból, például kukoricakeményítőből készül. Leginkább a 3D nyomtatási iparban használják, tekercsekben kapható, amit filamentnek neveznek. Azonban a PLA műanyagot más gyártási folyamatokban is alkalmazzák, mert egyedi tulajdonságokkal rendelkezik.
A PLA-val viszonylag könnyű dolgozni, általában minimális erőfeszítést igényel a minőségi alkatrészek előállítása, különösen FDM 3D nyomtatókon . Mivel természetes vagy újrahasznosított anyagokból készült, a PLA-t környezetbarát jellege, biológiai lebonthatósága és számos egyéb tulajdonsága miatt is elismerik.
Ebben a cikkben mindent áttekintünk a PLA műanyagról, különös tekintettel a 3D nyomtatásban való felhasználására. Megvizsgáljuk, hogyan készül ez a műanyag, előnyei és hátrányai, felhasználási módjai, gyártási módszerei, tulajdonságai, fenntarthatósági kérdései stb.
Hogyan készül a PLA?
Bár ez a folyamat nem biztos, hogy közvetlenül szem előtt megy végbe, mégis jó tudni, hogyan készül egy filament vagy anyag. Sok műanyaggal ellentétben, amelyeket finomított kőolaj felhasználásával állítanak elő, a PLA növényi eredetű anyagokból, például kukoricakeményítőből és cukornádból készül.
Nyersanyag
Először a természetes nyersanyagot, például a kukoricát, nedves őrlésnek vetik alá, ahol a növény keményítőjét izolálják és leválasztják. Ezt az extrakciót követően a keményítőt összekeverik és felmelegítik enzimekkel és más vegyi anyagokkal, hogy felszabadítsák a dextrózt (D-glükózt), amely egy cukorfajta. Ezután a dextrózt fermentálják, tejsavmonomereket termelve, amelyekből a tejsav elsősorban készül (ahogy a névből is sejthető).
A tejsavat ezután kétféleképpen lehet PLA-anyaggá feldolgozni: a tejsavat laktiddá kondenzálják, majd polimerizációs eljárással vagy közvetlenül a tejsavval kondenzációs eljárással. Az előbbi módszer gyakoribb, és magában foglalja a molekulák összekapcsolását különböző katalizátorok és hő hozzáadásával.
Szál
Miután a PLA feldolgozásra került, a műanyagot granulátummá alakítják, majd nyersanyagként értékesítik. A PLA filament előállítása során a filament gyártók először ezen PLA pelleteket más anyagokkal keverik össze. Ezek az adalékok általában javítják a végső termék tulajdonságait, például más színt, hőállóságot vagy szilárdságot biztosítanak.
Az új keveréket ezután egy speciális filament extruderbe töltik, amely megolvasztja a szemcséket, majd zsinóros formában pontos átmérővel (általában 1,75 vagy 2,85 mm) lehűti azokat. Végül a felfűzött műanyagot egy orsóra tekerik, becsomagolják és a világ minden tájára szállítják.
Ha a PLA-t a filamentgyártástól eltérő kontextusban használják, az eljárás nagyon hasonló, kivéve, hogy a pontos forma a tervezett végterméktől függően változik.
Pro & Kontra
A PLA-nak, mint 3D nyomtatási anyagnak van néhány nyilvánvaló előnye, de fontos felismerni, hogy ez az anyag nem tökéletes, és vannak hátrányai is. Az alábbiakban felsoroltuk ennek az anyagnak néhány előnyeit és hátrányait.
Előnyök
- Könnyen nyomtatható: A PLA-val rendkívül könnyű nyomtatni; szinte minden 3D nyomtató képes kinyomtatni ezt az anyagot, és nincs szükség fűtött ágyra sem. A PLA viszonylag alacsony hőmérsékletet igényel más nyomtatási anyagokhoz képest, és gyorsan nyomtatható (körülbelül 60 mm/s), illetve nem igényel burkolatot.
- Olcsó: A PLA meglehetősen olcsón megvásárolható más, speciálisabb nyomtatási anyagokhoz, például nejlonhoz vagy polikarbonáthoz (PC) képest , így kiváló választás a kis költségvetésű gyártók számára.
- Színek és opciók széles választéka: A PLA sokféle formában kapható, és a gyártók szinte bármilyen színben elkészítették ezt a filamentet. Ezenkívül léteznek kompozit és speciális célú PLA-szálak, mint például szénszálas PLA , csillogó PLA és még illatosított PLA is.
- Környezetbarát: A PLA növényi alapú megújuló erőforrásokból származik, és ipari úton komposztálható. Ezenkívül tanulmányok kimutatták, hogy a PLA előállítása 65%-kal kevesebb energiát fogyaszt, és lényegesen kevesebb üvegházhatású gázt termel, mint a hagyományos műanyagok.
- Nem mérgező: A PLA nem mérgező, ha szennyeződésmentesen tartható, és kiterjeszti alkalmazását olyan területekre, mint az orvosi és élelmiszeripar.
- Nincsenek füstök: A hőre lágyuló műanyagok megolvadásakor elkerülhetetlenül gőzök szabadulnak fel, és ezek a füstök, különösen a mérgező anyagokból, például az ABS-ből, káros belélegezhető anyagokat, sőt rákkeltő anyagokat is tartalmazhatnak. Habár a PLA is kibocsáthat néhány füstöt, nyomtatás közben szinte nincs szag és sokkal kisebb a kockázat.
Hátrányok
- Törékeny és viszonylag gyenge: A PLA legnyilvánvalóbb hátránya az alacsony hajlítószilárdsága. A 3D nyomtatott PLA alkatrészek lényegesen gyengébbek, mint a fröccsöntött alkatrészek, és még az egyéb anyagokból, például PETG és ABS-ből 3D nyomtatott alkatrészeknél is. A PLA alkatrészek általában nem hajlanak; nagyon gyorsan eltörik a megfelelő erőkifejtés után, ami azt jelenti, hogy a anyag nagyon törékeny.
- Alacsony hőmérséklet- és vegyszerállóság: Amellett, hogy nem a legerősebb anyag, a PLA nem túl jó hőálló. A PLA alacsony üvegesedési hőmérséklettel rendelkezik,így ebből az anyagból készült alkatrészek hajlamosak a deformálódásra forró körülmények között, ami miatt a PLA kevésbé ideális anyagnak bizonyul kültéri használatra. Ezenkívül bizonyos vegyi anyagok hatására a PLA kiszabadítja a nyers vegyi anyagait, nevezetesen a tejsavat, ami nagy mennyiségben káros lehet.
- Nem annyira biológiailag lebontható: Bár sokan a PLA biológiai lebonthatóságát hirdetik, gyakorlatilag nem az. Nagyon ritkák annak feltételei, hogy a környezetben természetes módon lebomoljon . Helyesebb azt mondani, hogy a PLA iparilag komposztálható.
Hol használják
A PLA a legnépszerűbb 3D nyomtatási anyag, de a 3D nyomtatás mellett számos felhasználási területe van:
- Élelmiszer-csomagolás: A PLA egy nem mérgező és elméletileg élelmiszer-biztonságos anyag, így kiváló műanyag élelmiszer-csomagoláshoz, mert nem szennyezi be az élelmiszereket. Annak ellenére, hogy a PLA reagálhat bizonyos vegyi anyagokkal és folyadékokkal, az eredmények azt mutatják, hogy jelentéktelen mennyiségű tejsavat szabadít fel. Például a NatureWorks , egy bioműanyag vállalat sikeresen használta a PLA-t élelmiszer-biztonságos élelmiszer-csomagoló komponens előállítására.
- Orvosi: A PLA nem mérgező összetétele ismét hasznossá teszi az orvosi és egészségügyi iparban . PLA-komponenseket használtak csontrögzítő eszközökben, például rögzítőcsavarokban és lemezekben.
- Prototípuskészítés: A prototípuskészítés a PLA-val általában 3D nyomtatással történik, és ez nagyszerű módja annak, hogy a vállalkozások és magánszemélyek életre keltsék ötleteiket. Ennek az az oka, hogy a PLA rendkívül könnyen nyomtatható, olcsó, és bármely FDM 3D nyomtatóval használható.
- Szerkezeti alkalmazások: Ridegsége és alacsony tartóssága ellenére a PLA-t gyakran használják épületekben, a szőnyegszálaktól a szigetelőhabokig. A PLA olyan tárgyak berendezésére is használható, amelyek nem lesznek fizikai megterhelésnek kitéve.
- Textíliák: A PLA-t szövet és egyéb textíliák előállítására is használják légáteresztő képessége, kis súlya és egyéb tulajdonságai miatt. A PLA természetesen nem a legnépszerűbb műanyag a textiliparban, de van benne lehetőség, és környezetbarát alternatíva. Példa erre a felhasználásra a Fibfab projektben , amely sikeresen tesztelte a PLA-t az alkalmi és védőruházatban való használatra.
- Kozmetika: A kozmetikai ipar óriási mértékben járul hozzá a műanyaghulladékhoz, és a PLA egyre népszerűbb csomagolási alternatívaként környezetbarát jellege és teljesen természetes forrásai miatt.
Most, hogy ismeri azokat az iparágakat, ahol a leggyakrabban használják a PLA-t, az alábbiakban bemutatunk néhány módszert a PLA-komponensek előállítására:
- 3D nyomtatás: Az FDM 3D nyomtatás nagyon elterjedt módja az alkatrészek PLA-val történő előállításának. Az anyag nagyon könnyen nyomtatható, és nem igényel magas hőmérsékletet, fűtött ágyat vagy közvetlen meghajtású extrudert .
- Fröccsöntés: A fröccsöntés a műanyag alkatrészek gyártásának legnépszerűbb módja, és így készül a legtöbb hétköznapi műanyag alkatrész. Míg a fröccsöntést általában ABS műanyaggal használják olyan alkatrészek, mint például Lego kockák vagy belső autóalkatrészek (például műszerfalak) készítésére, ez a módszer PLA-val is működhet. A PLA-t azonban nem használják olyan gyakran fröccsöntésre, alacsony kristályosodási sebessége miatt.
- Öntés és egyebek: Az öntés nagyon hasonlít a fröccsöntéshez, de az alkalmazott nyomás helyett gravitációt használ az alkatrész kialakításához. Vannak más hasonló gyártási módszerek is a PLA-hoz, például a hőformázás. A fröccsöntéshez hasonlóan ezek a módszerek nem túl népszerűek a PLA alkatrészek előállításánál, de bizonyos iparágakban alkalmazzák.
Anyagtulajdonságok
Bár már említettünk néhány anyagtulajdonságot, például a ridegséget, a PLA műanyagnak számos egyéb tulajdonsága is van, amelyeket érdemes megvitatni:
- Erősség: A PLA nem az erősségéről ismert műanyag (ez lenne a nylon vagy a PC), de a PLA alkatrész szilárdsága jobban függ attól, hogyan készült, mint maga az anyagtól. Például nagyobb kitöltési sűrűség és rétegmagasság használata erősebb 3D nyomtatott alkatrészt eredményez.
- Rugalmasság: A PLA egy merev műanyag, ami azt jelenti, hogy más műanyagokhoz képest alacsony a hajlítószilárdsága, különösen a rugalmasaknál , mint például a TPU . Ezenkívül, amint már említettük, a PLA törékeny. Hajlítás helyett általában elpattan és eltörik.
- Hőmérsékletállóság: A PLA nem igényel fűtött ágyat a nyomtatáshoz, ami azt jelenti, hogy olcsó gépeken is nyomtatható . Ez a PLA alacsony üvegesedési hőmérsékletének köszönhető , ami azt jelenti, hogy hő hatására gyorsan deformálódik. Ez azt jelenti, hogy valószínűleg nem szabad a PLA-alkatrészeket a szabadban használni, vagy közvetlen napfénynek kitenni, mert könnyen deformálódhatnak.
- UV-állóság: A PLA nem viseli jól a napsugarakat. Hasonlóan a hővel való szembesüléshez, a PLA alkatrészek deformálódhatnak, ha hosszabb ideig vannak kitéve UV fénynek.
- Vegyi ellenállás: A PLA nem oldódik oldószerekben, például acetonban vagy izopropil-alkoholban, és összességében a PLA műanyag vegyileg ellenálló és stabil anyag. Azonban továbbra is használhat erősebb oldószereket, például diklór-metánt és keverékeket, például XTC3D-t a PLA-alkatrészek feloldásához vagy rétegezéséhez .
Nyomtatási teljesítmény
A PLA elsősorban 3D nyomtatáshoz készült anyag, ellentétben más műanyagokkal, mint például az ABS vagy a polikarbonát, amelyeket túlnyomórészt más módon használnak. Összességében a PLA kiváló nyomtatási teljesítménnyel rendelkezik, néhány tényező miatt.
Először is, a PLA-hoz nincs szükség fűtött ágyra, burkolatra vagy közvetlen meghajtású extruderre, így az anyag nyomtatásához szükséges berendezés nem drága. Az olyan anyagok, mint az ABS, a PETG és a TPU, ezek közül legalább egy szükséges a minőségi nyomatok készítéséhez.
Másodszor, a PLA széles körben hozzáférhető, és a fogyasztói 3D-nyomtatási ipar eléggé fejlődött ahhoz, hogy a PLA-szál könnyen elérhető legyen az interneten. Nagyon olcsó, kilogrammonként 20 dollár körül kezdődik. Más filamentek, mint például a PETG, néhány plusz dollárral többe kerül kilogrammonként, és kevesebb a választék is.
Harmadszor, a PLA meglehetősen toleráns a változó nyomtatási beállításokkal szemben (észszerű keretek között), így a jó nyomtatást meglehetősen könnyű elérni anélkül, hogy hosszas tesztelési folyamatot kellene végezni a szeletelő beállításainak tökéletesítéséhez. A legtöbb alapértelmezett szeletelőprofil azonnal kielégítő modellt kínál, és egy kis beállítás még tovább javíthatja nyomatait. Ezzel szemben az ABS, a PETG és a TPU, mind érzékenyek a szeletelő beállításokra, ezért ezekhez az anyagokhoz a szeletelőprofilokat finoman be kell hangolni a jó nyomatok készítéséhez.
Végül, a PLA gyorsabban nyomtatható, mint a legtöbb más anyag, és a gyors prototípuskészítés iránti vágy miatt a PLA népszerű a prototípusok gyors fejlesztésében.
A PLA típusai
Az évek során számos egyedi PLA-száltípus jelent meg, amelyek számos választási lehetőséget kínálnak a fogyasztóknak:
- Szabvány: Mindenekelőtt a szabványos PLA a 3D nyomtatási iparban elterjedt PLA szokásos típusa, amely a PLA anyag alapvető tulajdonságain kívül semmilyen egyedi vagy különleges tulajdonságot nem tartalmaz.
- PLA+: A Plus és a Pro általános kifejezések a filamentek üzletágában olyan anyagok leírására, amelyeket speciális adalékanyagokkal kevertek össze a teljesítmény fokozása érdekében, általában az erősségével kapcsolatban. A Pro PLA és a PLA+ nagyszerű választás, ha olyan funkcionális, valós használatú alkatrészeket szeretne nyomtatni, amelyek fizikai igénybevételnek vannak kitéve, de még mindig könnyen nyomtatható anyagból.
- Fa: A fa PLA a PLA összetett típusa, amely olyan adalékanyagokat tartalmaz, amelyek faszerű megjelenést kölcsönöznek neki , és ez a szál hasznos farészek, például plakkok készítéséhez.
- Selyem: A selyem PLA szuperfényes, sima és selymes felületet kölcsönöz az alkatrészeknek, így népszerű választás esztétikus darabok, például vázák nyomtatásához .
- Márvány: A márványszál egy másik népszerű lehetőség, és a valódi márványszálak kis márványrészecskéket tartalmaznak, így márványszerű, foltos felületet eredményeznek. Más pettyes szálakat is néha a márvány PLA kategóriába sorolnak , még akkor is, ha nem tartalmaznak valódi márványdarabokat.
- Csillogó: Ez a fajta PLA nagy csillogó részecskéket tartalmaz, amelyek nagyon jól láthatóak, így a nyomtatott rész esztétikus és fényes.
- Szénszállal töltött: Ez a fajta PLA egy másik kompozit, és ahogy a neve is sugallja, egy PLA filament, amely szénszálas részecskékkel van töltve, hogy növelje a PLA szilárdságát és tartósságát, miközben megőrzi a legtöbb könnyű használhatóságot.
- Glow-in-the-dark: A sötétben világító PLA nagyon népszerű, és a filamentben lévő speciális adalékoknak köszönhetően a sötétben is világít.
- Conductive: A vezetőképes PLA olyan filament, amely elektromosan vezető alkatrészeket eredményez, amelyeket felhasználhat kis méretű elektromos projektekhez, például LED-ek működtetése 3D nyomtatott áramkör használatával.
Népszerű termékek
Most, hogy ismeri a PLA előnyeit, hátrányait és típusait, érdemes lehet szert tenni egy-két saját orsóra is! Az alábbiakban felsorolunk néhány minőségi márkát a PLA filamenteknél:
- Hatchbox: A Hatchbox egy kisméretű 3D-nyomtatószál-gyártó, amely minőségi szálakat árul alapszínekben, megfizethető áron (körülbelül 20 USD/kg), beleértve a jól áttekintett PLA-t is .
- Prusament: A Prusament a Prusa Research filament szektora sokféle anyagot gyárt, beleértve a PLA-t is, amelyet alapvető és fényes színekben kínálnak.
- Protopasta: Bár jóval többe kerülhet, mint a legtöbb márka, a Protopasta az egyik legegyedibb PLA filament márka . A csillogótól a kávéillatúig és szénszálas PLA-ig bezárólag a Protopasta széles palettával rendelkezik.
- Polymaker: A Polymaker néhány különböző típusú PLA-t árul alapszínekben. Ezek közé tartozik a PolyLite , a standard opció, a PolyMax , egy ütésálló filament, a PolyTerra, a környezetbarát választás, és az olyan kompozitok, mint a PolyWood .
- MatterHackers: A MatterHackers a 3D nyomtatási kellékek népszerű online kiskereskedője számos márka számára, és saját filamentkészletet is készítenek, beleértve a Build Series PLA-t és a Pro Series PLA-t . A MatterHackers más típusú PLA-t is kínál, például selymes opciókat és sötétben világító PLA-t .
- Fillamentum: A Fillamentum egy másik csúcskategóriás filamentgyártó, és PLA-szálaik a legjobbak közé tartoznak, egyedi színeikről (pl. kristálytiszta ) és kiváló nyomtatási teljesítményükről ismertek.
Fenntarthatóság
Amint már említettük, a PLA műanyagot növényekből, például kukoricából nyerik, nem pedig káros anyagokat használva, mint például a kőolajat, amelyből a legtöbb műanyag készül. Ez azt jelenti, hogy a PLA többnyire fenntartható anyag, mivel a növények viszonylag megújulóak.
A PLA műszakilag biológiailag is lebomlik, de még ideális környezetben is hosszú időbe telik, mire a PLA műanyag alkatrészek lebomlanak. Egy tanulmány megállapította, hogy ellenőrzött komposztálási környezetben, ahol a hő és a bomló organizmusok felgyorsítják a folyamatot, a PLA műanyagnak három hónapig tartott, amíg lebomlott.
A PLA előállításához szükséges növények élelmiszerforrásként fontosak, és egyesek azzal érvelhetnek, hogy a bolygónak nem áll érdekében ezeket a korlátozott terményeket élelmiszerek helyett műanyag előállítására használni. Talán a jövőben a PLA-t fenntarthatatlan anyagnak tekinthetik, ha a terméshozam nem elég magas ahhoz, hogy kielégítse mind a műanyag, mind az élelmiszer iránti igényt.
Összességében, bár a PLA műszakilag fenntartható anyag, vannak bizonyos korlátai. Ennek ellenére a PLA bioműanyag, és fenntarthatóbb, mint más műanyagok, például az ABS, amelyek teljes mértékben nem megújuló erőforrásokra támaszkodnak, és nem bomlanak le (vagy közel sem olyan gyorsan).
Toxicitás és élelmiszerbiztonság
Végül fontos megvitatni a PLA műanyag toxicitását és élelmiszerbiztonságát, mivel ez minden anyag használatának kulcsfontosságú szempontja. A PLA nem mérgező anyag, és elméletileg élelmiszerbiztonsági cikkek előállítására használható, ellentétben más 3D nyomtatási műanyagokkal, mint például az ABS. Azonban sok más tényező is hozzájárul a PLA élelmiszerbiztonságához, különösen, ha 3D nyomtatott alkatrészről van szó.
Csak azért, mert egy anyag nem mérgező, még nem jelenti azt, hogy biztonságos ha élelmiszerrel érintkezésbe kerül. Például az FDM 3D nyomtatás rétegről rétegre hozza létre az alkatrészeket, és apró hézagok vannak e rétegek között. Ezek a rések befoghatják az idegen részecskéket, ami potenciálisan szennyezheti az alkatrészt, és az élelmiszerek számára már nem biztonságos. Mielőtt azonban ez megtörténhetne, a PLA-szálat extruderen, csövön, forró végén és fúvókán keresztül táplálják be, minden olyan helyen, ahol más, potenciálisan nem biztonságos anyagok érintkeznek a PLA-val.
Ezt szem előtt tartva fontos észben tartani, hogy bár a tiszta PLA műanyag nem mérgező és élelmiszer-biztonságos, más anyagok és részecskék befolyásolhatják a kész alkatrész biztonságát.
Eredeti forrás: All3dp.com
