• sales
  • 064-931-9191
  • admin@sync-innovation.com
  • support
  • 095-778-1204
  • support@sync-innovation.com
  • mon-sat 8:00-19:00

การเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงานพลาสติกโดย Heat Annealing

พลาสติกเกือบทุกชนิดจะหลอมเหลวเมื่อถูกความร้อน และจะแข็งตัวเมื่อถูกทำให้เย็นลง หรือปล่อยให้คายความร้อนออกไป ทั้งนี้คุณสมบัติทางเคมีจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเปลี่ยนรูปร่าง โดยคุณสมบัติโดยทั่วไปของพลาสติกคือ มีความเหนียว น้ำหนักเบา และจุดหลอมเหลวไม่สูงมาก แต่มีความแข็งแรงน้อย ดังนั้นการเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงานพลาสติกด้วยวิธีการ Heat Annealing เป็นกระบวนหนึ่งที่นิยมใช้กับวัสดุพลาสติก เพราะทำง่าย จะทำให้พลาสติกมีคุณภาพ และความแข็งแรงพอที่จะใช้งานด้านวิศวกรรม และอุตสาหกรรมได้มากขึ้น

1. โครงสร้างทางเคมี และสมบัติของพลาสติก

พลาสติกส่วนใหญ่ถูกผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีบทบาทในชีวิตประจำวัน เนื่องจากความสะดวกในการใช้งาน หาซื้อง่าย และมีแนวโน้มความต้องการเพิ่มขึ้น รวมไปถึงการใช้งานด้านวิศวกรรม ซึ่งในสายวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์จะเรียกพลาสติกเหล่านี้ว่า พอลิเมอร์ (Polymer) โดยเป็นชื่อที่รู้จักกันในทางเคมีทางวิศวกรรมพลาสติก (Plastic) คือ สารไม่มีสีที่สามารถขึ้นรูปต่างๆ ได้ด้วยความร้อนและกระบวนการต่างๆ มีองค์ประกอบทางเคมีเป็นพอลิเมอร์ขนาดใหญ่ และมีมวลโมเลกุลมาก โดยแบ่งประเภทของพลาสติกได้ ดังนี้
plastic

1. เทอร์โมพลาสติก (Thermoplastics) เมื่อได้รับความร้อนหรืออุณหภูมิสูงจะอ่อนตัวและสามารถขึ้นรูปได้ และเมื่ออุณหภูมิลดลงหรือเย็นตัวลงจะแข็งตัว โดยเทอร์โมพลาสติกเกิดจากกระบวนการ Polymerization มีโครงสร้างที่แบ่งออกได้ 3 ประเภทหลักๆ คือ

1. พลาสติกมีผลึก (crystalline) จะประกอบด้วยโมเลกุลที่จัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ นั่นคือส่วนที่เป็นผลึก ซึ่งพลาสติกที่เรารู้จักกันมักจะหาโครงสร้างผลึก 100% ได้ยากมาก  ดังนั้นพลาสติกมีผลึกโดยทั่วไปจะแข็งแรงและทนความร้อนได้มากกว่าพลาสติกไม่มีผลึก แต่มักจะขุ่น

2. พลาสติกไม่มีผลึก (Amophous Plastics) โครงสร้างโดยรวมเป็นการรวมกันของโมเลกุลสายยาวที่เรียงตัวแบบไม่มีระเบียบ ไม่มีสมมาตร เป็นการจัดเรียงตัวที่ไม่แน่นอน  ฉะนั้นพลาสติกพวกนี้จะแข็งแรงน้อย ทนความร้อนได้ต่ำ และเปลี่ยนแปลงขนาดได้น้อย แต่มีลักษณะเด่นคือใส

3.  พลาสติกกึ่งผลึก (Semi-crystalline Plastics) โครงสร้างพลาสติกส่วนมากในปัจจุบันจะเป็นแบบผสม (Semi-crystalline) โดยจะมีส่วนผสมระหว่างโครงสร้างที่ป็นระเบียบ (crystalline) และโครงสร้างแบบไม่เป็นระเบียบ (non-crystalline หรือ amorphous) ปะปนกันอยู่กับส่วนที่ไม่เป็นระเบียบ ซึ่งโครงสร้าง crystalline จะมีความแข็งแรงมากกว่าโครงสร้าง non-crystalline

ดังนั้น การจัดกลุ่มโครงสร้างของพลาสติกชนิดต่างๆ จึงสามารถแบ่งพลาสติกออกเป็นกลุ่มตามลักษณะโครงสร้างและคุณสมบัติที่สามารถใช้งานได้จริง และมีอยู่โดยทั่วไปได้ 2 ประเภท คือ พลาสติกไม่มีผลึก และพลาสติกกึ่งผลึก ทั้งนี้โครงสร้างออกมาจะเป็นรูปแบบใด และมีสัดส่วนของผลึกมากน้อยแค่ไหน จะขึ้นอยู่กับระยะเวลาที่พลาสติกหรือพอลิเมอร์ก่อตัวว่ายาวนานมากพอเพื่อให้มอนอเมอร์จับตัวกันอย่างเป็นระเบียบหรือไม่

2. เทอร์โมเซตติงพลาสติก (Thermosetting plastic) จะคงรูปหลังได้รับหรือผ่านความร้อน หรือแรงดันเพียงครั้งเดียว เมื่อเย็นลงจะแข็งมาก ทนความร้อน ความดัน ไม่อ่อนตัว เปลี่ยนรูปร่างไม่ได้ และไม่สามารถนำกลับมาหลอมเหลวและขึ้นรูปใหม่ได้อีก เช่น เมลามีน โพลียูรีเทน เรซิน เป็นต้น
thermosetting plastic

2. Heat Annealing กับพลาสติกอะไรได้บ้าง

การอบพลาสติก หรือ Heat Annealing Plastic เป็นกระบวนการปรับปรุงคุณสมบัติของพลาสติกที่ผ่านกระบวนการผลิตต่างๆ มา จะทำให้มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพ ทั้งการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกล ทางความร้อน และทางสัณฐานวิทยา (Morphology) เพื่อให้โครงสร้างของพลาสติกดีขึ้นจากอุณหภูมิและเวลาที่ได้รับอย่างเหมาะสม ส่งผลให้ชิ้นงานพลาสติกสามารถเพิ่มความแข็งแรงขึ้นได้

วิธี Heat Annealing นิยมใช้กับพลาสติกจำพวกเทอร์โมเซต เนื่องจากการให้ความร้อนกับโครงสร้างอสัณฐานที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิหลอมเหลวเพียงเล็กน้อย จะสามารถกระตุ้นให้โมเลกุลจัดเรียงตัวขึ้นมาใหม่อย่างเป็นระเบียบและเกิดเป็นผลึกได้ง่ายขึ้น

heat Annealing of plastics

3. การ Heat Annealing ชิ้นงานที่ขึ้นจาก 3D Printer

การขึ้นรูปชิ้นงานจากเครื่อง 3D Printer จะต้องใช้อุณหภูมิความร้อนที่จุดหลอมเหลว (Melting Temperature หรือ Tm) ของพลาสติกชนิดนั้นๆ จึงจะสามารถไหลผ่านหัวฉีดได้ แต่การเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงานพลาสติกจะใช้แค่อุณหภูมิที่ทำให้วัสดุอ่อนตัว (Glass Transition Temperature หรือ Tg) เท่านั้น เนื่องจากที่อุณหภูมิกลาสทรานซิชันนี้พลาสติกที่มีการจัดเรียงสายโซ่โมเลกุลแบบไม่เป็นระเบียบ รวมถึงลักษณะกึ่งผลึก (Semicrystalline) มีทั้งส่วนที่ เป็นผลึกและส่วนอสัณฐานปนกันอยู่ จะเป็นการเปลี่ยนสถานะโครงสร้างใหม่ และสายโซ่โมเลกุลจะจัดเรียงตัวได้ดีกว่าแบบเดิม ด้วยอัตราการเย็นตัว (Cooling Rate) อย่างช้าๆ ทำให้โมเลกุลของพลาสติกมีเวลาจัดเรียงตัวมากขึ้น ทำให้ความแข็งแรงของพลาสติกเพิ่มขึ้นนั่นเอง
Transition Temperature plastic

3D Printer

Annealing process plastics

temp plastic

พลาสติกวิศวกรรมและเกรดอุตสาหกรรมอาจทำ Heat Annealing ได้ยากในบางครั้ง เนื่องจากความเค้นที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเมื่อวัสดุถูกผลิตหรือพัฒนาในระหว่างกระบวนการตัด หรือเฉือนส่วนประกอบที่ใช้เวลามาก อาจแตกหักหรือบิดงอได้ง่ายหากความเค้นภายในเกินความแข็งแรงของวัสดุ ซึ่งเป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปว่าความร้อน จะส่งผลกระทบต่อการจัดเรียงตัวของสายโซ่และปริมาณผลึก (Crystallinity) ของพลาสติกและนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพ ซึ่งส่งผลต่อความแข็งแรง ประสิทธิภาพ และอายุการใช้งานของชิ้นส่วนอย่างมาก ดังนั้นการอบพลาสติกจึงมีหลักการไม่แน่นอน ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย ดังแสดงในตารางนี้

Annealing Guidelines

(ที่มา; https://www.boedeker.com)

4. ความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้นจาก Annealing Plastics

ความแข็งแกร่งต่อการกระแทก เพื่อดูความสามารถของวัสดุ ว่าเมื่อวัสดุอยู่ภายใต้แรงกระทำที่รุนแรง หรือการกระแทก วัสดุจะทนทานได้มากน้อยเพียงใด ซึ่งจากกราฟจะเห็นความแข็งแรงของพลาสติกเพิ่มขึ้นได้อย่างชัดเจน หลังจากผ่านการทำ Heat Annealing 

Charpy impact test after annealing

ความแข็งแรงแรงดึง ซึ่งเป็นระยะที่วัสดุยืดตัวออกจากระยะเดิม แรงดึงกับระยะการเปลี่ยนรูป (deformation) หรือการยืดตัวของชิ้นทดสอบที่จุดขาดเมื่อเปรียบเทียบกับความยาวเริ่มต้น โดยการอบที่อุณหภูมิต่างๆ และปล่อยให้เย็นตัวอย่างช้าๆ ทำให้พลาสติกมีความเหนียวเพิ่มขึ้นจากเดิม

Tensile strength test strongest annealed

ค่าอุณหภูมิการดัดงอเนื่องจากความร้อน (Heat Deflections Temperature, HDT) การทดสอบประเภทนี้มีความสำคัญมากขึ้นเมื่อพลาสติกถูกนำมาใช้ทดแทนวัสดุประเภทอื่นในการใช้งานประเภทต่างๆ อย่างต่อเนื่อง การทดสอบนี้ทำโดยการเพิ่มอุณหภูมิของชิ้นงานทดสอบอย่างช้าๆ ในขณะที่ให้แรงกดแบบจุด จนเมื่อแรงที่ให้แบบจุดนั้นทะลุผ่านชิ้นงานทดสอบที่ระยะ 1 มิลลิเมตร จะถือว่าสิ้นสุดการทดสอบและทำการบันทึกค่าอุณหภูมิที่จุดดังกล่าวไว้ การทดสอบที่มีประโยชน์มากสำหรับการควบคุมคุณภาพและการพัฒนาพลาสติก เนื่องจากผลการทดสอบที่ได้เป็นการวัดค่าอุณหภูมิที่เทอร์โมพลาสติกเริ่มที่จะเกิดการอ่อนตัวอย่างรวดเร็ว ซึ่งผลที่ได้อาจไม่ได้เห็นความแตกต่างชัดเจนมากนักในพลาสติกบางชนิด

5. ประโยชน์ของการทำ Annealing Plastics

ประโยชน์ของการอบพลาสติจะขึ้นกระบวนการและขั้นตอนที่ถูกต้องอย่างเหมาะสมทั้งอุณหภูมิและเวลา ซึ่งมีข้อดีหลายประการทั้งในระยะสั้นและระยะยาว ได้แก่

  • ขนาดของชิ้นงานมีความเสถียร และสามารถนำไปตัดแต่งเพิ่มเติมได้
  • ชิ้นงานมีความแข็งและความสมบูรณ์ เหมาะสมใช้เป็นชิ้นส่วนประกอบต่างๆ
  • ลดการหดตัวและการขยายตัว
  • ความทนทานต่อสารเคมีได้ดีขึ้น
  • ความต้านทานการสึกหรอดีจากเดิม
  • มีประสิทธิภาพที่จะใช้งานอยู่ในการยอมรับได้มากขึ้น

ข้อควรระวัง
Heat Annealing เกี่ยวข้องกับความร้อนเป็นหลักสำคัญ ดังนั้นหากได้รับอุณหภูมิที่ไม่เหมาะสมกับชนิดของพลาสติก รวมถึงระยะเวลาในการอบพลาสติกด้วย จะทำให้ชิ้นงานเสียรูปทรง เปราะ หรือแตกง่ายกว่าเดิม 

6. เครื่องสำหรับ Heat Annealing of Plastics

ตู้อบชิ้นงานพลาสติก เพื่อทำ Heat Annealing มีหลากหลายรุ่น และอุณหภูมิให้เลือกมากมาย ส่วนราคาขึ้นอยู่โครงสร้างเครื่อง ขนาด และอุปกรณ์เสริมต่างๆ หากใช้อบพลาสติกทั่วไปๆ เลือกซื้อที่ให้อุณหภูมิได้สูงสุด 200 องศาเซลเซียส ก็เพียงพอแล้ว แนะนำว่าควรเลือกซื้อที่สามารถควบคุมอัตราการเพิ่ม และลดลงของอุณหภูมิได้แน่นอน โดยอ้างอิงและพิจารณาการทำงานของเครื่องร่วมกับตารางในหัวข้อที่ 3 

VDO แนะนำจากทาง Prusa (update 17 ธันวาคม 2562)

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Share on facebook
Facebook
Share on google
Google+
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on pinterest
Pinterest

สนใจเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

เรามีเครื่องที่ตอบโจทย์การใช้งานทุกประเภท ตั้งแต่บุคคลเริ่มต้นจนไปถึงอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ พร้อมให้คำแนะนำการใช้งาน และวัสดุที่เหมาะสม เพื่อให้คุ้มค่าการลงทุนมากที่สุด

ติดตามข่าวสารและบทความ

บทความน่าสนใจอื่นๆ

dual-extruder-3d-printer-models
3D Printing Technology

รวม 3D Model สำหรับเครื่อง 3D Printer 2 หัวฉีดขึ้นไป

3D Model ที่ถูกขึ้นรูปจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ส่วนใหญ่จะเป็นสีเดียวทั้งโมเดล หากต้องการให้มีหลายสี ก็ต้องต้องการเปลี่ยนสีวัสดุเอาเอง

อ่านต่อ
3D Printing Technology

รีวิวเครื่อง Raise3D E2 3D Printer รุ่นใหม่ล่าสุดกับระบบ 2 หัวฉีดอิสระ (IDEX)

หัวข้อหลัก เสปคกับตำแหน่งที่ผู้ผลิตวางไว้สำหรับ Raise3D E2 รุ่น E2 ถึงแม้จะใส่เทคโนโลยีใหม่ๆเข้ามาอย่าง 2

อ่านต่อ