Przewodnik po PLA do druku 3D

Źródło: 3dnatives.com

ll PLA (kwas polimlekowy) to jedno z tworzyw sztucznych najczęściej wykorzystywanych w sektorze produkcji addytywnej. Wynaleziony w 1930 roku przez chemika Wallace’a Carothersa, twórcę również nylonu i neoprenu, materiał ten może być stosowany w formie filamentów lub granulatu do drukarek 3D typu desktop oraz rozwiązań przemysłowych. W przeciwieństwie do wielu innych opcji materiałowych dostępnych na rynku, PLA jest uważany za bardziej zrównoważony termoplast, ponieważ pochodzi ze źródeł odnawialnych, takich jak skrobia kukurydziana, korzenie tapioki czy trzcina cukrowa. To odróżnia go od innych materiałów przemysłowych składających się głównie z ropy naftowej. Dzięki swojemu bardziej ekologicznemu pochodzeniu materiał ten od zawsze należał do najczęściej stosowanych w sektorze druku 3D. Jego użycie rozprzestrzeniło się w rzeczywistości na szeroki wachlarz sektorów i zastosowań. W tym przewodniku dowiemy się wszystkiego na temat tego materiału: jego cech, warunków drukowania, niektórych zastosowań, a także głównych producentów na rynku.

Produkcja i cechy PLA

Jak wspomniano, PLA pozyskuje się z organicznych i odnawialnych zasobów, takich jak skrobia kukurydziana, korzenie tapioki czy trzcina cukrowa. Produkcja polimeru jest możliwa dzięki fermentacji jednego z tych źródeł węglowodanów. Dokładniej rzecz ujmując, produkt naturalny jest mielony w celu oddzielenia skrobi od kukurydzy, a następnie mieszany z kwasami lub monomerami mlekowymi. Dzięki tej mieszance skrobia rozkładana jest na dekstrozę (D-glukozę) lub cukier kukurydziany. Ostatecznie fermentacja glukozy wytwarza kwas L-mlekowy, podstawowy składnik PLA. Rezultatem jest ekologiczny i odnawialny materiał, który w zależności od warunków temperatury i wilgotności może stać się biodegradowalny.

PLA wytwarzany jest z materiałów zrównoważonych, takich jak skrobia kukurydziana.

W ostatnich latach zrównoważony charakter filamentów PLA został jednak poddany w wątpliwość. Być może dlatego, że określenie „biodegradowalny”, często używane w odniesieniu do tego filamentu, doprowadziło do zamieszania. W rzeczywistości, mimo że tworzony jest z materiałów odnawialnych występujących w przyrodzie, nie czyni to materiału automatycznie biodegradowalnym. Materiał ten może ulec rozkładowi, ale tylko w określonych warunkach tlenowych. Na przykład PLA może szybko ulec degradacji w procesie kompostowania przemysłowego; w przeciwnym razie, rozkładając się na otwartej przestrzeni, może zająć mu to nawet 80 lat, stając się zatem, podobnie jak inne tworzywa sztuczne, czynnikiem zanieczyszczającym.

Kolejną właściwością tego materiału jest to, że jest on uważany za nienewtonowski płyn pseudoplastyczny. Oznacza to, że jego lepkość (opór przepływu) zmienia się w zależności od naprężeń, na jakie jest poddawany. Dlatego nie ma on zdefiniowanej i stałej wartości lepkości, lecz zmienia się w zależności od warunków produkcji. W szczególności PLA jest materiałem o właściwościach ścinania, co oznacza, że lepkość maleje wraz z przyłożonym naprężeniem. Aby dowiedzieć się więcej, sprawdźmy poniżej właściwości użytkowe oraz jego zachowanie podczas stosowania jako materiał do druku 3D.

PLA w druku 3D

PLA jest jednym z najczęściej stosowanych materiałów w druku 3D FFF, zwłaszcza przez osoby rozpoczynające przygodę z przemysłem 3D, ponieważ jest bardzo łatwy w drukowaniu. Występuje zazwyczaj w formie filamentu, ale także w postaci pelletu lub granulatu. Choć źródło zasilania materiałem i system topnienia zmieniają się w zależności od formatu PLA (poprzez ekstruder w przypadku filamentów lub zbiornik w przypadku pelletu), cechy materiału i gotowych części nie różnią się między sobą. W niniejszym artykule skupimy się jednak bardziej na PLA w formie filamentu, ponieważ jest to najpowszechniejsza postać, w jakiej występuje ten termoplast.

PLA jest jednym z najczęściej stosowanych termoplastów w druku 3D (zdjęcie: BMI Lab)

Ten materiał jest polimerem półkrystalicznym o temperaturze topnienia w zakresie 170-180°C, niższej niż w przypadku filamentów ABS, które zaczynają topnieć w temperaturze od 200 do 260°C. Oznacza to, że podczas drukowania z PLA nie ma konieczności podgrzewania stołu roboczego ani posiadania zamkniętej komory roboczej. Jednocześnie filament oferuje dobre osiągi, łącząc wysoką prędkość druku z dość wyraźnymi krawędziami, pod warunkiem, że materiał jest odpowiednio chłodzony. Ponadto uzyskiwane elementy mają tendencję do bardzo niskiego odkształcenia. Jedyną wadą jest to, że filament PLA ma wyższą lepkość niż inne standardowe termoplasty, co przy braku uwagi może prowadzić do zatkania głowicy drukującej. Ponadto filamenty mają okres trwałości co najmniej 1 roku przy przechowywaniu w temperaturze od 15 do 25°C. Jeśli porównamy PLA z ABS, innym z najczęściej stosowanych termoplastów w druku 3D FDM, zauważymy, że generalnie ten pierwszy nie ma takiej samej wytrzymałości i elastyczności jak drugi, ale jest również mniej podatny na odkształcenia. Niemniej jednak zawsze zaleca się stosowanie PLA do części, które nie wymagają dużej złożoności mechanicznej, ponieważ jego obróbka jest znacznie prostsza.

Pod względem obróbki końcowej (post-processingu), PLA zazwyczaj nie wymaga skomplikowanych etapów. Podczas zdejmowania części mogą wystąpić problemy z przyczepnością pierwszej warstwy druku. Dlatego zaleca się stosowanie specjalnych klejów na stole roboczym, aby ułatwić zdejmowanie gotowych elementów. W celu poprawy wykończenia powierzchni użytkownik może szlifować elementy i w razie potrzeby potraktować je acetonem. Podpory, jeśli są stosowane, można łatwo usunąć za pomocą pęsety lub rozpuścić, jeżeli wykorzystano rozpuszczalne struktury podporowe.

Zastosowania

Jak już wspomniano, PLA to tworzywo stosunkowo dostępne i łatwe w użyciu w druku 3D, zwłaszcza wśród hobbystów (makerów). Nie oznacza to jednak, że ma same zalety. Jego właściwości przekładają się na kruchość, niską wytrzymałość oraz wrażliwość na światło słoneczne i wysokie temperatury drukowanych części. Z tego powodu jest używany głównie przez początkujących, w szczególności do tworzenia elementów dekoracyjnych, gadżetów i zabawek.

Jednakże PLA nie ogranicza się tylko do świata makerów. Wiele branż również wykorzystuje ten termoplast, na przykład do tworzenia prototypów. Pozwala to firmom zaoszczędzić sporo pieniędzy, zamiast przechodzić przez proces tworzenia form. Ponadto, choć nie jest to pierwsza opcja, po którą się sięga, również branże takie jak motoryzacyjna mogą czerpać korzyści z filamentu PLA. W tym przypadku może być przydatny do tworzenia akcesoriów samochodowych, a nawet niektórych elementów deski rozdzielczej.

PLA jest popularny wśród makerów i w szybkim prototypowaniu (zdjęcia: Markforged)

Należy jednak pamiętać, że PLA charakteryzuje się niską temperaturą zeszklenia (temperaturą, poniżej której materiał amorficzny zachowuje się jak ciało stałe szkliste), co sprawia, że nie nadaje się do zastosowań wymagających wyższej odporności na temperatury. Ponadto, jeśli chodzi o branże takie jak spożywcza, nie zaleca się np. używania tego termoplastu do tworzenia kubków zawierających gorące płyny. Jest on jednak bezpieczny w kontakcie z żywnością, dlatego jest szeroko stosowany w opakowaniach.

Producenci i cena PLA do druku 3D

Będąc jednym z najpopularniejszych materiałów w druku 3D, obecnie prawie wszyscy producenci materiałów oferują w swojej gamie produktów filamenty lub pellety PLA. Należą do nich Polymaker, Recreus, Smart Materials czy BASF pod marką Forward AM. Warto również zauważyć, że producenci drukarek 3D FDM często oferują własne filamenty. Istnieje wielu producentów PLA, takich jak m.in. UltiMaker, Stratasys, Prusa czy Zortrax.

Jeśli chodzi o cenę filamentu PLA, obecnie może ona różnić się w zależności od kolorów i poszukiwanych właściwości. Filamenty hybrydowe, takie jak filament drewnopodobny lub filamenty wzmacniane włóknami, znacznie podnoszą cenę. Jednak cena standardowego filamentu mieści się zazwyczaj w przedziale od 20 do 70 euro za kilogram. Na koniec, jak już wspomniano, istnieją również drukarki 3D, które mogą drukować z pelletu – formy materiału tańszej niż filament, głównie dlatego, że nie jest on przetwarzany.