PLA

در این مقاله قصد داریم ماده PLA را بررسی کنیم. فیلامنت PLA در فناوری پرینت سه بعدی FDM محبوبیت بسیاری دارد. در حقیقت گفته می‌شود هر فردی که اولین بار پرینتر سه بعدی کار می‌کند، از این ماده استفاده می‌کند. این ماده به طور طبیعی زیست‌تجزیه پذیر است، فراوان یافت می‌شود و ارزان قیمت است که در کنار این‌ها استحکام مکانیکی خوبی نیز دارد، بنابرین بدیهی است که بسیاری از کاربران جدید آن را انتخاب می‌کنند. در ادامه مقاله با جزییات بیشتری به این ماده می‌پردازیم.

ماده PLA چیست؟

PLA مخفف «پلی‌لاکتیک‌اسید» است؛ پلی لاکتیک اسید یک پلیمر ترموپلاستیک است، یعنی می‌توان این ماده را ذوب کرد و به حالت مایع درآورد، سرد کرد و به حالت جامد درآورد و دوباره به آن حرارت داد و این کار را می‌توان بارها و بارها تکرار کرد به طوری که هیچ تخریب قابل توجهی در خواص ماده به وجود نیاید. فرمول شیمیایی آن (C₃H₄O₂)_n  است و برخلاف بیشتر پلیمرها که از منابع نفتی تجدیدناپذیر به دست می‌آیند، PLA از منابع زیست تخریب‌پذیر مانند نشاسته ذرت یا نیشکر مشتق می‌شود.

PLA چقدر دوام دارد؟

PLA یک پلاستیک زیستی است، از این رو اگر در معرض محیط طبیعی قرار بگیرد به طور طبیعی تجزیه می‌شود و مدت زمان تجزیه آن نیز بین 6 تا 24 ماه طول می‌کشد. هیچ پلاستیک دیگری به این سرعت تجزیه نمی‌شود. در برخی محصولات مانند بطری‌های آب معدنی، ظروف یکبار مصرف، بسته‌بندی‌ها و … خوب است که تخریب دوره‌ای اتفاق بیوفتد بنابراین از این خاصیت PLA می‌توان به خوبی استفاده کرد. یکی از دلایل عمده محبوبیت ماده PLA همین موضوع است.

دلیل مهم دیگری که در محبوبیت PLA نقش دارد این است که تولید محصول با استفاده از این ماده با تجهیزاتی انجام‌پذیر است که معمولا موجود هستند.

استفاده از PLA به ساز و کار خاصی نیاز ندارد و به همین خاطر تولید با استفاده از این ماده مقرون به صرفه می‌شود. از میان همه پلیمرهای زیست تخریب‌پذیری که تا کنون تولید شده‌اند، PLA یکی از کامل‌ترین و برجسته‌ترین آن‌ها است. موجودیت جهانی، قیمت ارزان و خاصیت زیست تخریب‌پذیری که دارد، آن را به یکی از محبوب‌ترین مواد حال حاضر تبدیل می‌کند.

با در نظر گرفتن خواص مکانیکی می‌توان گفت PLA بسیار پایدار است و می‌تواند یک عملکرد تکرارشونده را در مدت طولانی بازتولید کند. در کاربردهای درون سیستمی محکم و مقاوم است و خصوصیاتی مشابه پلی‌پروپیلن (PP)، پلی‌اتیلن (PE) یا پلی‌استایرن (PS) از خود نشان می‌دهد.

برخی خواص عمومی PLA

دمای خمش حرارتی (HDT): 49 تا 52 درجه سلسیوس (121 تا 126 درجه فارنهایت) در فشار 0.46 مگاپاسکال (66 PSI)

استحکام کششی: PLLA: 61 تا 66 مگاپاسکال (8840 – 9500 PSI)

استحکام خمشی: PLLA: 48 تا 110 مگاپاسکال (6950 – 16000 PSI)

وزن مخصوص: PLLA: 1.24

نرخ انقباض: PLLA: 0.37 تا 0.41% (0.0037 – 0.0041 in/in)

شناخت فیلامنت پرینت سه بعدی PLA

همانطور که پیش‌تر هم گفته شد، PLA در فناوری پرینت سه بعدی FDM فیلامنت محبوبی است. در این راستا مزایای زیادی به همراه دارد، از جمله چاپ آن راحت است.

فیلامنت PLA در دمای حدود 190 درجه سلسیوس ذوب می‌شود و از این نظر بسیار مناسب است به طوری که حتی با نازل‌های برنجی ارزان‌تر هم ذوب می‌شود. این ماده در طول چاپ سه بعدی خیلی راحت به صفحه ساخت می‌چسبد و پیچ هم نمی‌خورد بنابراین هیچ نیازی به بستر گرم یا محفظه نخواهد بود؛ تهیه این موارد کل هزینه‌های پرینتر سه بعدی را بالا می‌برد.

PLA هنگام چاپ شدن بوی بدی ندارد. در حقیقت بسیاری از کاربران گزاش می‌کنند زمانی که با PLA چاپ می‌کنند، بوی شیرینی می‌شنوند. این ماده با بیشترین تعداد رنگ و ترکیب (مواد کامپوزیتی) قابل تهیه است.

دسترسی به انواع مواد خام در سراسر جهان آسان و کم‌هزینه است، از این رو، PLA به عنوان پایه انواع متعددی از مواد کامپوزیتی استفاده می‌شود. مواد کامپوزیتی برپایه PLA طرفداران بسیاری دارند و در محصولاتی که جنبه زیبایی آن‌ها اهمیت دارد به کار می‌روند؛ مانند نمونه‌سازی صفحات نمایشگر، اسباب بازی‌ها، وسایل جانبی، لباس‌های ابرقهرمانی و غیره.

موادی مانند فیلامنت‌هایی که با چوب یا فلز پر شده‌اند، فیلامنت‌های شب‌تاب و حتی PETG و فیبر کربن با پایه PLA، از جمله این کامپوزیت‌ها هستند. در نتیجه چنین ترکیبی خواص مکانیکی PLA ارتقا پیدا می‌کند و چاپ PETG و فیبر کربن نیز آسان‌تر می‌شود. در بخش‌های بعدی درباره ترکیب کامپوزیت‌ها بیشتر صحبت خواهیم کرد.

اطمینان حاصل کنید تجهیزاتی که در اختیار دارید برای چاپ PLA مناسب باشد:

همه پرینترها یکسان ساخته نشده‌اند. برخی از آن‌ها توانایی چاپ انواع مختلفی از ترکیبات چوبی یا فلزی را دارند و برخی ندارند. این موضوع را به صورت آنلاین از سازنده پرینتر پیگیری کنید، سپس آن‌ها تایید خواهند کرد که می‌توانید کدام ترکیب را با پرینتر خود چاپ کنید. کار کردن با همه فیلامنت‌ها راحت نیست پس ابتدا مطمئن شوید که ساز و کار چاپ اصولی و درست تنظیم شده باشد.

شاید شما به چاپ این ترکیب‌ها علاقه‌مند نباشید و بیشتر به چاپ انواع رنگ‌های متفاوت PLA توجه دارید. در این صورت نیز باید یک نکته را به یاد داشته باشد؛ ابتدا باید از توانایی پرینتر خود مطئمن شوید و بعد از آن هم، برای چاپ PLA بهتر است از پرینتری استفاده کنید که دارای خنک کننده فیلامنت باشد. چرا که به هر حال PLA فیلامنتی است که با بستر سرد کار می‌کند.

آیا فیلامنت PLA نسبت به مواد غذایی ایمنی دارد؟

از آنجایی که PLA از نشاسته ذرت به دست می‌آید، ماده‌ای بی‌خطر برای مواد غذایی به حساب می‌آید اما مطالعات متعددی که صورت گرفته است حاکی از آن است که اگر این ماده با یک نازل برنجی ذوب شود، سمی می‌شود. بنابراین به طور کلی نباید گفت PLA نسبت به مواد غذایی بی‌خطر است. در عوض، کاربرانی که می‌خواهند محصولاتی با PLA چاپ کنند که مواد غذایی را با این ماده تماس می‌دهد، پیش از اقدام باید با سازنده فیلامنت مشورت کنند.

اگرهم فرضا کاربران بخواهند با PLA اشیایی مانند کاترهای شیرینی چاپ کنند، حتما باید از یک نازل فولادی ضد زنگ استفاده کنند.

پرینت سه بعدی با فیلامنت PLA

چاپ کردن PLA در مقایسه با سایر فیلامنت‌های پرینت سه بعدی نسبتا آسان‌تر است. به علاوه نرخ موفقیت پرینت سه بعدی این ماده بالاتر است و به ندرت به شکست منتهی می‌شود. اما بالاخره کاربران باید درباره این ماده و چکونگی چاپ آن بیاموزند.

بنابراین، تنظیمات کلی پرینت را برای آنکه فرآیند چاپ را آغاز کنید، به شما ارائه می‌کنیم. اما باید توجه داشت که همه مواد یکسان نیستند و هر بار که فیلامنتی با برند متفاوت تهیه می‌کنید باید تنظیمات را مخصوص آن اصلاح کنید. تنظیمات چاپ باید مطابق تنظیماتی باشد که سازنده فیلامنت مشخص کرده است.

تنظیمات کلی پرینت برای فیلامنت PLA

دمای اکسترودر (روزن‌ران): 180 تا 200 درجه سلسیوس

دمای بستر: 40 تا 60 درجه سلسیوس (اختیاری)

سرعت چاپ: 30 تا 80 میلی‌متر/ثانیه

مخلوط‌های معروف فیلامنت‌های PLA

فیلامنت PLA اغلب در مواد کامپوزیتی بسیاری یافت می‌شود. فیلامنت PLA خیلی راحت چاپ می‌شود به همین خاطر نیز هنگام طراحی مواد کامپوزیتی، PLA ماده بسیار خوبی برای استفاده در پایه کامپوزیت است. برخی از معروف‌ترین مواد کامپوزیتی بر پایه PLA، در زیر آورده شده‌اند.

فیلامنت PLA پرشده با چوب

برای تشکیل فیلامنت PLA که با چوب پر شده است، معمولا فیلامنت PLA را با پودر چوب، چوب پنبه یا مشتقات چوب پودرشده ترکیب می‌کنند. در ترکیب‌های متداول حدود 30 تا 35 درصد چوب وجود دارد و مابقی PLA است، هرچند این نسبت ممکن است با توجه به سازنده متغیر باشد. فیلامنت‌های چوبی انواع مختلف بسیاری دارند که از جمله آن‌ها می‌توان به چوب توس، چوب نارگیل، بامبو، چوب پنبه و غیره اشاره کرد.

فیلامنت PLA پرشده با فلز

مشابه فیلامنتی که با چوب پرشده است، فیلامنت‌هایی که با فلز پرمی‌شوند نیز از ترکیب ذرات فلز با فیلامنت PLA تولید می‌شوند. بسته به اینکه می‌خواهیم ماده کامپوزیتی جدید چه خواصی داشته باشد، نوع ترکیب مشخص می‌شود. فیلامنت‌های فلزی نیز انواع مختلفی دارند؛ مثلا فلزی که فیلامنت را پر می‌کند می‌تواند آلومینیم، برنج، مس و غیره باشد.

فیلامنت PLA پرشده با سرامیک

پودر سرامیک با فیلامنت PLA به عنوان پایه ترکیب می‌شود و ماده‌ای مخصوص پرینت سه بعدی تشکیل می‌دهد که با سرامیک پرشده است.

فیلامنت شب‌تاب

این ماده از ترکیب مواد فسفری (شب‌تاب) با فیلامنت PLA که به عنوان پایه حضور دارد، حاصل می‌شود. با وجود آنکه این ماده از سایر فیلامنت‌های معمولی PLA گران‌تر است اما برای ساخت محصولات سرگرمی مانند اسباب بازی‌ها، عینک‌های شب‌تاب، نقاب‌ها و … به کار می‌رود.

فیبر کربن با پایه PLA

این فیلامنت از PLA و ذرات فیبر کربن تشکیل شده است. فیبر کربن استحکام PLA را افزایش می‌دهد و PLA به چاپ آسان‌تر فیبر کربن کمک می‌کند. استحکام این ماده در مقایسه با فیبر کربنِ 100% کمتر است اما پرینت با آن راحت‌تر است.

از میان کامپوزیت‌های فراوان PLA، فیلامنت‌های پرشده با سنگ، قهوه و جو، فیلامنت‌هایی که تغییر رنگ می‌دهند و ابریشم نیز قابل ذکر هستند.

مزایای پرینت سه بعدی با فیلامنت PLA

• آسان مصرف است: این فیلامنت بسیار محبوب است و علت آن هم این است که استفاده از آن، در مقایسه با برخی محصولات دیگر آسان‌تر است. این فیلامنت با بستر سرد چاپ می‌شود بنابراین دمای چاپ آن به مراتب پایین‌تر است. بدین معنی که احتمال مسدود شدن نازل یا تاب برداشتن ماده کمتر است. و همچنین اجرای کار با استفاده از ماده هزینه کمتری دارد.
• زیست تخریب‌پذیر است: بزرگ‌ترین مزیت PLA همین است که به طور طبیعی زیست تخریب‌پذیر است. می‌تواند در مدت 6 الی 24 ماه به صورت طبیعی تجزیه شود.
• تاب برنمی‌دارد: PLA تاب برنمی‌دارد بنابراین احتمال تخریب چاپ به واسطه عوامل رشته‌ای شدن، حبابی شدن و تاب خوردگی کاهش می‌یابد.
• به فراوانی موجود است: PLA به فراوانی، و در طیف وسیعی از رنگ‌ها و سبک‌ها وجود دارد و قابل تهیه است.
• ارزان قیمت است: PLA در همه دنیا کمابیش با قیمت یکسان و ارزانی قابل تهیه است.
• به عنوان ماده پایه بسیار عالی عمل می‌کند: در طراحی مواد کامپوزیتی، PLA برای ماده پایه بسیار مناسب است. در بسیاری از انواع کامپوزیت‌ها مانند کامپوزیت‌هایی که با چوب، سرامیک یا فلز پر شده‌اند، کامپوزیت‌های شب‌تاب، ابریشمی و… ماده پایه، PLA است.
• بوی آن شیرین است: اغلب اوقات و نه همیشه، چاپ کردن PLA یک بوی شیرین آزاد می‌کند که برای برخی کاربران خوشایند است. اگر با انواع فیلامنت‌های دیگر چاپ کرده باشید می‌دانید که برخی فیلامنت‌ها بوی بدی منتشر می‌کنند و اگر مکرر با آن‌ها چاپ کنید، این موضوع آزاردهنده خواهد شد. برخی فیلامنت‌های دیگر مانند ABS بوی بدی دارند اما PLA اینگونه نیست.
• ریخته‌گری لاست PLA: از آنجایی دمای ذوب PLA پایین است، در فرآیند ریخته‌گری لاست PLA نیز استفاده می‌شود. در این روش کاواک داخلی با استفاده از PLA چاپ می‌شود و یک لایه از ماده دیگری که دمای ذوب بالاتری دارد، کاواک را از بیرون می‌پوشاند. سپس به آن حرارت داده می‌شود تا PLA ذوب و خارج شود، و در آخر تنها بخش خارجی باقی بماند. کاواک داخلی را هم می‌توان با فلز ذوب شده پر کرد. این فرآیند معمولا برای ساخت جواهرات استفاده می‌شود.
• کاربر را به زحمت نمی‌اندازد: کار کردن با PLA بسیار آسان است و کاربر را به زحمت نمی‌اندازد زیرا در دمای پایینی ذوب می‌شود، برای آنکه چاپ شود به تجهیزات متوسطی نیاز دارد (نازل برنجی ارزان قیمت، بدون نیاز به بستر گرم، بدون نیاز به محفظه، غیره) و در آخر، چاپ و دفع آن راحت است.

معایب پرینت سه بعدی با فیلامنت PLA

• خواص مکانیکی متوسط: در مقایسه با سایر فیلامنت‌های پرینت سه بعدی که در بازار وجود دارند، PLA خواص مکانیکی متوسطی دارد.
• جذب رطوبت: PLA هم مانند همه پلیمرهای ترموپلاستیک به طور طبیعی جاذب رطوبت است.
• دمای انتقال شیشه‌ای پایین: چنین خاصیتی سبب می‌شود PLA برای کاربردهایی که در دمای بالایی انجام می‌گیرند، مناسب نباشد. همچنین، در مناطق گرمسیری استفاده از PLA در کاربردهایی که در محیط باز تعریف می‌شوند، مناسب نیست.
• ترد بودن: به طور نسبی، PLA از موادی مانند ABS بسیار شکننده‌تر است که ممکن است در برخی استفاده‌ها مشکل ایجاد کند. به علاوه، به دلیل ماهیت شکننده‌ای که دارد، در مواد غذایی کاملا ایمن نیست؛ بنابراین در مواردی که به غذا مربوط می‌شود، نباید استفاده گردد.
• خزش: با گذشت زمان، در PLA پدیده‌ای به نام خزش رخ می‌دهد. یعنی پس از مدت طولانی‌تری PLA شکل خود را رفته رفته از دست می‌دهد و خواص مکانیکی آن هم تغییر می‌کند، که در این صورت ماده کارایی خود را از دست خواهد داد.
• فیلامنتی است که با بستر سرد کار می‌کند: درست است که پیش‌تر چندین بار از اینکه این فیلامنت با بستر سرد عمل می‌کند به عنوان یک ویژگی مثبت یاد کردیم، اما معایبی هم دارد زیرا نشان می‌دهد ماده در برابر گرما واکنش نامناسبی می‌دهد. بدین معنی که اگر ماده در معرض حرارت مستقیم قرار بگیرد، ممکن است تاب بردارد و آسیب دائمی ببیند.
• طول عمر PLA کوتاه است: پرینت‌های PLA زیست‌سازگاراند اما در عوض عمر کوتاهی دارند. PLA طوری طراحی شده است که تنها 6 تا 12 ماه دوام داشته باشد و بنا به کاربرد موردنظر به جای فیلامنت‌های محکمی که دوام طولانی‌تری دارند استفاده شود؛ اگر می‌خواهید از این فیلامنت استفاده کنید حتما این موضوع را در نظر داشته باشید. درصورتی که انتظار ندارید پرینت به مدت طولانی دوام بیاورد این مسئله مشکلی ایجاد نخواهد کرد اما به هر حال باید این موضوع را در نظر داشته باشید.

آیا PLA plus ارزش هزینه بیشتر را دارد؟

پاسخ این سوال در واقع به این بستگی دارد که شما به دنبال چه چیزی هستید. گاهی برخی شرکت‌ها از روی سوء نیت روی فیلامنت خود برچسب «plus» یا «pro» می‌زنند تا فروش خود را بیشتر کنند. از این رو به سختی می‌توان گفت که آیا فیلامنت گران‌تری که چشم شما را گرفته است واقعا ارزش آن هزینه را دارد، یا کل ماجرا تنها یاوه‌گویی‌های تبلیغاتی است.

بنابراین بهترین کار این است که سراغ برندهای معروف بروید و ابتدا نیز برخی بازخوردهای آنلاین را بررسی کنید. پرداخت هزینه بیشتر برای «کیفیت بهتر» محصول یک برند خوش‌نام بهتر از این است که مشابه آن را با نصف قیمت از یک سازنده بی‌نام و نشان تهیه کنید. اگر یک فیلامنت نامرغوب یا تقلبی به پرینتر آسیب بزند، هزینه‌ای که در آخر متحمل می‌شوید قطعا بیشتر خواهد بود.

از PLA برای تولید چه چیزهای باید استفاده کرد؟ و برای تولید چه چیزهایی نباید استفاده کرد؟

مزایا و معایب PLA که بالاتر گفته شد، این امر را به خوبی نشان می‌دهد. فهرست جامع‌تری از مواردی که بهترین کاربردهای PLA به حساب می‌آیند در زیر آمده است.

برای نمونه‌سازی استفاده شود:

چاپ آسان و سریع PLA ثابت می‌کند که این ماده انتخاب بسیار درستی برای ساخت نمونه‌های اولیه است چرا که از نمونه اولیه انتظار نمی‌رود همه آنچه را که از محصول نهایی می‌خواهیم برآورده کند.

برای ساخت محصولات بصری استفاده شود:

تنوع رنگ‌ها و ترکیب‌های PLA باعث می‌شود ماده بسیار خوبی برای ساخت اشیای هنری، پرینت‌های جالب و هرچیزی که جنبه زیبایی دارد، باشد که در حقیقت هدف از ساخت این محصولات عملکرد حرفه‌ای نیست و ظاهر زیبای آن‌ها مد نظر است.

در ساخت دستگاه‌ها و ماشین‌آلات از PLA استفاده نشود:

PLA برای استفاده در بخشی از یک دستگاه طراحی نشده است زیرا یکپارچگی ساختاری این ماده آنطور که باید باشد، نیست و مقاومت حرارتی آن نیز به اندازه‌ای نیست که بخشی از یک دستگاه باید داشته باشد. اگر می‌خواهید قطعات یدکی پرینت کنید، باید بدانید که فیلامنت PLA به درد شما نمی‌خورد.

همچنین برای ساخت چیزی که ممکن است خم شود، از PLA استفاده نکنید؛ PLA به شدت ترد است و اگر خم شود، همان لحظه می‌شکند.

آیا میزان مسمومیت PLA زیاد است؟

در حقیقت PLA برخلاف بسیاری از فیلامنت‌های دیگر، مسمومیت کمی دارد. یکی از دلایل محبوبیتش هم همین است. این ماده جایگزین بسیار خوبی برای فیلامنت‌های متداولی است که ممکن است به شدت آسیب‌زا باشند.

با این حال، این بدان معنا نیست که این فیلامنت کاملا غیرسمی است. برخی فیلامنت‌های دیگر مواد سرطان‌زا تولید می‌کنند، اما PLA چیزی تولید می‌کند که «لاکتید» نامیده می‌شود. عده‌ای از پژوهشگران اعتقاد دارند لاکتید کاملا بی‌خطر است؛ اما در این زمینه مطالعات کافی صورت نگرفته است بنابراین هنوز باید با دقت عمل کنید. سعی کنید گازهایی را که ماده منتشر می‌کند استنشاق نکنید.

نتیجه گیری

PLA در میان افراد مبتدی و حتی افراد حرفه‌ای بسیار محبوب است. چاپ آسان و تهیه آن با هزینه کم عللی است که سبب می‌شود افراد مبتدی از کار کردن با آن لذت ببرند. به علاوه که تنوع رنگ‌های PLA نامحدود است و ترکیبات منحصربه‌فردی از آن به دست می‌آید، مانند موادی که با فلز پرشده‌اند، موادی که در تاریکی می‌درخشند و از این قبیل.

افراد حرفه‌ای به این ماده علاقه‌مند هستند به این دلیل که ماده بسیار خوبی برای نمونه‌سازی است. با استفاده از کامپوزیت فیبر کربن با پایه PLA می‌توانند فیبر کربن را به آسانی چاپ کنند، لذت ببرند و نگران خراب شدن مکرر پرینت نباشند.

پس با اطمینان می‌توان گفت افراد تازه‌کار از PLA زیاد استفاده می‌کنند، افراد حرفه‌ای هم برای موارد خاص از آن استفاده می‌کنند.