Nhựa In 3D PLA

Nhựa In 3D PLA Và Các Ứng Dụng Tuyệt Vời Của Vật Liệu Này

Nhựa in PLA hiện đang trở thành vật liệu in 3D phổ biến nhất hiện nay nhờ những ưu điểm vượt trội về tính thân thiện với môi trường, độ an toàn và khả năng ứng dụng đa dạng. Meme 3D sẽ đưa bạn khám phá thế giới in 3D đầy tiềm năng cùng nhựa PLA, đồng thời hé mở những ứng dụng sáng tạo và đột phá mà vật liệu này mang lại.

Nhựa in PLA là gì?

Axit Polylactic thường được gọi là PLA, là một trong những vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong in 3D. Đây là loại sợi nhựa mặc định được lựa chọn cho hầu hết các máy in 3D FDM vì nó có thể được in ở nhiệt độ thấp và không cần bàn gia nhiệt. PLA là vật liệu được sử dụng khi bạn đang bắt đầu tìm hiểu về in 3D vì nó rất dễ in, rất rẻ và tạo ra các bộ phận có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

PLA cũng là một trong những loại sợi nhựa thân thiện với môi trường nhất hiện nay. Có nguồn gốc từ các loại cây trồng như ngô và mía, PLA có khả năng tái tạo và quan trọng nhất là có thể phân hủy sinh học. Ngoài ra, điều này còn giúp nhựa tỏa ra mùi dễ chịu trong quá trình in.

Tham khảo các loại Nhựa in 3D của Jamg He

Đặc tính của nhựa PLA

• Độ bền: PLA không phải là loại nhựa được biết đến nhờ độ bền của nó (đó có thể là nylon hoặc PC), nhưng độ bền của PLA phụ thuộc nhiều vào cách thức sản xuất hơn là bản chất vật liệu. Ví dụ: sử dụng mật độ chèn và chiều cao lớp cao hơn sẽ mang lại chi tiết in 3D mạnh hơn.
• Tính linh hoạt: PLA là một loại nhựa cứng, nghĩa là nó có độ bền uốn thấp so với các loại nhựa khác, đặc biệt là các loại nhựa dẻo như TPU. Ngoài ra, PLA rất giòn. Thay vì uốn cong, nó thường giòn và dễ gãy.
• Khả năng chịu nhiệt độ: PLA không yêu cầu bàn in được làm nóng, do đó bạn hoàn toàn có thể được sử dụng trên máy in 3d giá rẻ . Điều này là do nhiệt độ chuyển thủy tinh thấp của PLA, bạn không nên sử dụng PLA ngoài trời hoặc để chúng dưới ánh nắng trực tiếp vì chúng có thể dễ dàng bị biến dạng.
• Khả năng chống tia cực tím: PLA không xử lý tốt tia nắng mặt trời. Tương tự như khi tiếp xúc với nhiệt, các bộ phận PLA có thể biến dạng khi tiếp xúc với tia UV trong thời gian dài.
• Kháng hóa chất: PLA không hòa tan trong các dung môi như axeton hoặc rượu isopropyl và nhìn chung, nhựa PLA là vật liệu ổn định và kháng hóa chất. Tuy nhiên, bạn vẫn có thể sử dụng các dung môi mạnh hơn như dichloromethane và các hỗn hợp như XTC3D để hòa tan hoặc làm mịn các lớp PLA.

Phương pháp sản xuất PLA

PLA được sản xuất thương mại theo nhiều phương pháp khác nhau để đạt được phân tử polymer có khối lượng lớn. Hai đơn phân chính được sử dụng để tạo ra PLA là axit lactic và lactide (cyclic di-ester).

1. Trùng hợp mở vòng Lactide:

• Đây là phương pháp phổ biến nhất để sản xuất PLA.
• Lactide được trùng hợp mở vòng bằng chất xúc tác kim loại (thường là thiếc octoate) trong dung dịch hoặc huyền phù.
• Phản ứng xúc tác kim loại có xu hướng dẫn đến racemic hóa PLA, làm giảm tính lập thể so với vật liệu sinh khối ban đầu.

2. Trưng ngưng trực tiếp Axit lactic:

• Phương pháp này diễn ra ở nhiệt độ dưới 200°C, tạo ra lactide do phản ứng thuận entropy (tăng tính hỗn loạn).
• Quá trình này giải phóng nước tương đương với mỗi bước ester hóa. Nước cần được loại bỏ bằng chân không hoặc chưng cất azeotropic để thúc đẩy trùng ngưng và đạt được khối lượng phân tử cao.
• Khối lượng phân tử thậm chí còn cao hơn có thể đạt được bằng cách kết tinh polyme thô từ trạng thái nóng chảy. Điều này tập trung các nhóm đầu carbolylic và alcohol vào vùng vô định hình của polyme rắn, phản ứng để đạt được trọng lượng phân tử từ 128-152 kDa.

3. Trùng hợp hỗn hợp Racemic:

• Trùng hợp hỗn hợp racemic L- và D-lactide tạo thành poly-DL-lactide (PDLLA) vô định hình.
• Chất xúc tác lập thể đặc hiệu có thể dẫn đến PLA dị hướng, được biết đến với khả năng kết tinh. Mức độ kết tinh này được kiểm soát bởi tỷ lệ enantiomer D và L được sử dụng, cũng như loại chất xúc tác.

4. Phương pháp thí nghiệm khác:

• Trong môi trường nghiên cứu, hợp chất vòng năm cạnh O-carboxyanhydride lactic acid (lac-OCA) đôi khi được sử dụng thay cho axit lactic và lactide. Hợp chất này không tạo ra nước như sản phẩm phụ và phản ứng mạnh hơn lactide.
• PLA cũng có thể được tổng hợp sinh học trực tiếp bằng cách tiếp xúc axit lactic với zeolit, tạo ra quy trình một bước diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn khoảng 100°C.

Ưu và nhược điểm của nhựa in 3D PLA

Ưu điểm nhựa PLA

• Nhiệt độ in thấp: PLA có nhiệt độ in tương đối thấp so với các loại nhựa nhiệt dẻo khác (ví dụ: đối với PLA, nhiệt độ in lý tưởng bắt đầu từ khoảng 180 ° C, trong khi ABS là khoảng 250 ° C ). Điều này có nghĩa là PLA ít bị cong vênh và tắc đầu phun trong quá trình in. Ngoài ra, so với ABS và các loại nhựa nhiệt dẻo khác có nhiệt độ nóng chảy cao hơn, PLA thường tạo ra các chi tiết bề mặt tốt hơn và các tính năng sắc nét hơn.
• Dễ sử dụng: PLA là một trong những loại vật liệu dạng sợi dễ in 3D nhất. Vật liệu này dễ dàng bám dính vào nhiều bề mặt khác nhau và không cần bàn in được làm nóng, điều này một lần nữa làm tăng thêm tính dễ sử dụng. Không giống như ABS, PLA cũng không phát ra khói có mùi khi in.
• Nhiều lựa chọn về màu sắc và pha trộn: PLA dễ dàng tạo màu và có nhiều màu sắc và cách pha trộn đa dạng. Vật liệu này cũng có thể được trộn với gỗ, carbon và thậm chí cả kim loại, trong khi các chất màu cũng có thể được thêm vào để tạo ra các sợi phát quang hoặc lấp lánh. Điều này làm cho sự lựa chọn hỗn hợp PLA gần như vô tận.
• Xử lý hậu kỳ dễ dàng: Các bản in PLA có thể dễ dàng được chà nhám, đánh bóng và sơn, cho phép cải thiện bề mặt hoàn thiện mà không tốn nhiều công sức. Bạn cũng có thể khoan, nghiền và dán các bộ phận PLA – nhưng hãy cẩn thận để không làm chảy bộ phận đó. Để tránh làm tan chảy bộ phận PLA của bạn, chỉ cần giữ quy trình chậm và dụng cụ nguội (bạn có thể đạt được điều này bằng nước, WD-40 hoặc chất lỏng cắt thích hợp).
• Phân hủy sinh học: PLA là vật liệu thân thiện với môi trường vì nó có khả năng phân hủy sinh học, không độc hại và cũng cần ít năng lượng hơn để in 3D và thải ra ít khí nhà kính hơn so với vật liệu làm từ dầu mỏ. So với nhựa nhiệt dẻo làm từ dầu mỏ, phải mất hàng nghìn năm để phân hủy, các bộ phận của PLA thường có thể phân hủy (một cách tự nhiên) trong vòng vài năm hoặc thậm chí vài tháng.

Nhược điểm nhựa PLA

• PLA có khả năng chịu nhiệt thấp nên không thể sử dụng cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ cao, PLA có thể biến dạng nhanh chóng, đặc biệt nếu bị căng thẳng.
• PLA thường yếu hơn và có độ bền kéo thấp hơn so với các đối tác của nó là ABS và PETG. Vì các bộ phận PLA, khi được in 3D, khá giòn nên vật liệu này phù hợp với mục đích thẩm mỹ hơn là mục đích cơ học.
• Trong khi hộp đựng PLA an toàn thực phẩm khi không in 3D thì PLA không an toàn thực phẩm khi in 3D. Điều này là do quá trình in 3D tạo ra những khoảng trống và lỗ chân lông nhỏ giữa các lớp in của bạn. Những khoảng trống này có xu hướng giữ độ ẩm và các mảnh thức ăn, dẫn đến sự tích tụ của vi khuẩn và nấm mốc.
• Khi bị nung nóng, dây tóc PLA dễ bị rỉ ra , nghĩa là máy ép đùn của máy in của bạn có thể rò rỉ rất nhiều nhựa khi di chuyển giữa các đoạn của bản in. Điều này tạo ra các chuỗi giữa các khu vực riêng biệt trên sản phẩm của bạn, điều này có thể dẫn đến bản in bị lỗi. Do đó, cần phải có quạt làm mát để ngăn chặn vấn đề này.

Quy trình in 3D với nhựa in PLA

PLA được sử dụng làm dây tóc trong in 3D. Nguyên liệu PLA được tạo thành sợi nhựa có đường kính 1,75 hoặc 2,85 mm. Dây tóc này được đưa vào một máy đùn được làm nóng để ép nhựa nóng chảy qua một vòi phun, để tạo thành từng lớp một. PLA không yêu cầu giường in được làm nóng và nhiệt độ máy đùn của nó thường được đặt trong khoảng từ 190 đến 220 ° C. Dây tóc PLA dễ sử dụng và ít bị cong vênh trong quá trình in.

Yêu cầu về phần cứng cho in 3D với PLA

Mặc dù không hoàn toàn cần thiết, nhưng việc sử dụng máy in 3D có các tính năng sau sẽ giúp cải thiện chất lượng bản in:

• Bàn in nhiệt (Heated bed): Nhiệt độ từ thấp đến trung bình trên bàn in sẽ giúp cải thiện độ bám dính của vật liệu, cho ra bản in chất lượng tốt hơn.
• Đồng hồ đo nhiệt độ đầu in (Extruder temperature gauge): Nhiệt độ in lý tưởng cho hầu hết các sợi PLA là khoảng 200 °C. Do đó, việc có đồng hồ đo nhiệt độ đầu in sẽ giúp bạn kiểm soát chính xác nhiệt độ in.
• Quạt gió làm mát và thùng kín (Cooling fan and enclosure): Mặc dù không cần thiết, nhưng quạt gió làm mát và thùng kín sẽ giúp tối ưu hóa chất lượng bản in PLA. Quạt gió làm mát giúp vật liệu đông cứng nhanh hơn, hạn chế tình trạng cong vênh. Thùng kín giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong quá trình in, hạn chế các lỗi do co ngót vật liệu.

Mẹo in 3D với nhựa PLA

1. Làm mát đa hướng:

• Sử dụng quạt gió làm mát chi tiết in 3D từ mọi hướng là điều rất khuyến khích.
• Nhiều máy in 3D phổ biến có các phụ kiện do cộng đồng thiết kế, bạn có thể in 3D và lắp thêm vào máy để cải thiện luồng khí làm mát.
• Luồng khí mát giúp cho nhựa PLA đông cứng nhanh hơn, hạn chế tình trạng cong vênh và các lỗi bề mặt.

2. Tăng số đường viền:

• Tăng số đường viền (perimeter outlines) cho bản in PLA sẽ tạo ra liên kết mạnh mẽ giữa các lớp, giúp chi tiết in cứng cáp và ít bị nứt vỡ hơn.
• Đường viền là những đường nhựa được in ra bao quanh bên ngoài cùng của chi tiết, số lượng đường viền càng nhiều thì độ dày vỏ của chi tiết càng lớn, tăng độ bền.

Bảo quản nhựa PLA

PLA là một trong những loại filament có tốc độ thủy phân chậm, do đó vật liệu cần nhiều tuần để phân hủy hoàn toàn khi tiếp xúc với độ ẩm. Đối với PLA, bạn có thể để lõi filament hở trong quá trình in và chỉ cần bảo quản kín khi lưu trữ. Tuy nhiên, việc sấy khô filament định kỳ là cần thiết để kéo dài tuổi thọ vật liệu.

Dấu hiệu chính cho thấy filament PLA bị suy giảm bởi thủy phân là tình trạng giòn của vật liệu. PLA bị ẩm sẽ giòn và dễ gãy. Trong những trường hợp này, việc sấy khô filament sẽ giúp cải thiện chất lượng in, nhưng các đặc tính vốn có của vật liệu sẽ không được phục hồi hoàn toàn, vì vậy các chi tiết in ra cũng sẽ giòn hơn.

Ứng dụng của nhựa PLA trong in 3D

Ứng dụng đóng gói tiếp xúc thực phẩm

PLA là một loại polymer được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê duyệt để sử dụng làm vật liệu tiếp xúc với thực phẩm. Các ứng dụng đóng gói phổ biến của PLA bao gồm:

• hộp đựng và cốc uống nước,
• ly sundae và salad,
• gói bọc ngoài và gói vỉ

Nó cũng có thể được sử dụng làm polyme đóng gói thực phẩm cho các sản phẩm có thời hạn sử dụng ngắn như trái cây và rau quả.

Ngành y tế và chăm sóc sức khỏe

Khả năng tương thích sinh học và khả năng phân hủy sinh học của PLA cho phép sử dụng trong ngành y tế và chăm sóc sức khỏe. Nó được sử dụng để sản xuất khung kỹ thuật mô, vật liệu hệ thống phân phối hoặc màng bao phủ và các mô cấy y tế có khả năng hấp thụ sinh học khác nhau. Do tính linh hoạt của nó, PLA đã được nghiên cứu về:

• Ứng dụng màng – Ví dụ, băng vết thương, v.v.
• Cấy ghép và thiết bị y tế – Ví dụ: thanh cố định, tấm, ghim, ốc vít, chỉ khâu, v.v.
• Phương pháp điều trị da liễu – Ví dụ như teo mỡ mặt, trẻ hóa sẹo, v.v.

Ứng dụng kết cấu cao cấp

PLA và vật liệu tổng hợp dựa trên sinh học là những sản phẩm mới cho các ứng dụng ô tô, điện và điện tử . Những vật liệu tổng hợp này cho thấy độ bền kéo và đặc tính va đập tốt hơn. Điều này làm cho chúng thích hợp để sử dụng trong các bộ phận nội thất của ô tô hoặc mũ bảo hiểm.

Các đặc tính vật liệu được cải thiện cho phép sử dụng PLA trong thảm sàn, vỏ cột, viền cửa, tấm mặt trước và vật liệu trần. Vật liệu tổng hợp sinh học PLA được đề xuất sử dụng để bọc bánh xe dự phòng hoặc mái mờ trong các mẫu xe hybrid.

Tuy nhiên, vẫn có một số đặc điểm hạn chế việc thương mại hóa PLA trong các ứng dụng kết cấu khác.

Công nghiệp sợi và dệt may

PLA cũng thích hợp cho các ứng dụng sợi dệt như áo sơ mi, thảm, bộ đồ giường, nệm, đồ thể thao, v.v. Điều này là do:

• hấp thụ độ ẩm thấp,
• khả năng tạo khói thấp,
• khả năng chống tia UV tốt

Polyme này cũng có tiềm năng trong màng phủ và túi đựng rác vườn có thể phân hủy, bọt bảo vệ cấu trúc, vật liệu cách nhiệt, v.v.