• sales
  • 064-931-9191
  • admin@sync-innovation.com
  • support
  • 095-778-1204
  • support@sync-innovation.com
  • mon-sat 8:00-18:00

การเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงานพลาสติกโดย Heat Annealing

พลาสติกเกือบทุกชนิดจะหลอมเหลวเมื่อถูกความร้อน และจะแข็งตัวเมื่อถูกทำให้เย็นลง หรือปล่อยให้คายความร้อนออกไป ทั้งนี้คุณสมบัติทางเคมีจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเปลี่ยนรูปร่าง โดยคุณสมบัติโดยทั่วไปของพลาสติกคือ มีความเหนียว น้ำหนักเบา และจุดหลอมเหลวไม่สูงมาก แต่มีความแข็งแรงน้อย ดังนั้นการเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงานพลาสติกด้วยวิธีการ Heat Annealing เป็นกระบวนหนึ่งที่นิยมใช้กับวัสดุพลาสติก เพราะทำง่าย จะทำให้พลาสติกมีคุณภาพ และความแข็งแรงพอที่จะใช้งานด้านวิศวกรรม และอุตสาหกรรมได้มากขึ้น ส่วนการตกแต่งชิ้นงานให้สวย สามารถอ่านได้ที่ แต่งผิวอย่างไรให้ใสเหมือนกระจก (Post Processing)

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

3D Printing Materials

3D Filament สำหรับงานบรรจุภัณฑ์ Packaging

อุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์ หรือ Packaging มีเพื่อสำหรับบรรจุชิ้นส่วนต่างๆ เครื่องใช้ไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหลาย เพื่อให้สิ่งของเหล่าสามารถขนส่งได้ง่าย และถึงมือผู้ใช้ในสภาพที่สมบูรณ์

อ่านต่อ
Fiber 3d printer desktop metal
3D Printing Technology

Desktop Metal Fiber เครื่องพิมพ์ 3 มิติสำหรับอุตสาหกรรม

Desktop Metal Fiber เป็นเครื่องในกลุ่มของวัสดุคอมโพสิตพอลิเมอร์จาก Desktop Metal โดยเน้นไปที่อุตสาหกรรมที่ต้องการชิ้นส่วนที่มีขนาดเบา และมีความแข็งแรงสูง

อ่านต่อ