مقالات

ماده PLA چیست؟
تمام آنچه را نیاز دارید درباره پلاستیک PLA یاد بگیرید: مبانی، مزایا، ویژگی ها، کاربردها، انواع، دوام پذیری و غیره.

در این مقاله با این موارد آشنا خواهیم شد:

PLA چیست؟

PLA چگونه ساخته می شود؟

معایب و مزایا

کجا مورد استفاده است

ویژگی های ماده

عملکرد پرینت

انواع PLA

محصولات رایج

دوام پذیری

سمی بودن و ایمنی غذایی

PLA چیست؟

حتی اگر شما یک تازه وارد به دنیای پرینت سه بعدی باشید، احتمالا اسم فیلامنت PLA را بعنوان رایجترین ماده چاپ سه بعدی شنیده اید. پلی لاکتیک اسید، که معمولا به نام PLA نامیده می شود یک پلاستیک زیستی و ترموپلاستیک ساخته شده از مواد طبیعی مثل نشاسته ذرت است. بیشتر بدلیل استفاده از آن در صنعت چاپ سه بعدی معروف شده است و بصورت ماسوره هایی از مواد پایه بنام فیلامنت فروخته می شود اما PLA بدلیل ویژگی های منحصربفرد آن در سایر زمینه های تولید نیز مورد استفاده است.

کار با PLA بطور قابل مقایسه ای ساده است و معمولا نیازمند تلاش کمی برای تولید قطعات با کیفیت دارد خصوصا در یک پرینتر FDM سه بعدی. از آنجا که از مواد طبیعی یا بازیافت شده تولید می شود، PLA نیز بدلیل دوستدار طبیعت بودن، تجزیه پذیری زیستی و بسیاری از ویژگی های دیگرش پذیرفته شده است.

در این مقاله ما همه چیز را درباره پلاستیک PLA بیان می کنیم خصوصا با ارجاع به استفاده از آن در چاپ سه بعدی. ما نگاهی خواهیم داشت به اینکه چگونه این پلاستیک ساخته شده است، مزایا و معایب آن ، استفاده های آن، روش های تولید، ویژگی ها، مسائل دوام پذیری و غیره.

PLA چگونه ساخته می شود؟

در حالیکه این فرایند ممکن است درست در مقابل چشم شما اتفاق نیفتد، اما خوب است بدانیم که چگونه یک فیلامنت یا ماده تولید می شود. برخلاف بسیاری از پلاستیک ها که از طریق تصفیه نفت خام ساخته می شوند ، PLA از مواد گیاهی مثل نشاسته ذرت و نیشکر تولید می شود.

اول، ماده خام طبیعی، مثل ذرت، تحت آسیاب کردن مرطوب قرار می گیرد، که در آن نشاسته گیاه ایزله شده و جدا می شود. پس از این عصاره گیری، نشاسته مخلوط می شود و با آنزیم ها و سایر مواد شیمیایی حرارت داده می شود تا دکستروز (گلوکز D) آزاد کند، که نوعی شکر است. سپس دکستروز تخمیر می شود و مونومرهای لاکتیک اسید تولید می کند که پلی لاکتیک اسید عمدتا از آن تشکیل می شود (همانطور که ممکن است از نام آن حدس بزنید).

سپس لاکتیک اسید را می توان در ماده PLA به دو روش پردازش کرد: با تغلیظ لاکتیک اسید به لاکتید و سپس استفاده از فرایند پلیمری کردن یا با استفاده از یک فرایند تغلیظ سازی مستقیم با لاکتیک اسید. روش اول معمول تر است و مستلزم مقید کردن مولکول ها بهم با افزودن کاتالیست های مختلف و حرارت دهی است.

به محض اینکه PLA پردازش شد، پلاستیک دانه ای می شود و بعنوان ماده خام فروخته می شود. در تولید فیلامنت PLA، تولید کنندگان فیلامنت اول این قرص های PLA را با سایر مواد مخلوط می کنند. این افزودنی ها معمولا به محصول نهایی ویژگی های بهتری می دهند مثل رنگ های مختلف، مقاومت در برابر حرارت و یا استحکام.

آنگاه مخلوط جدید در یک اکسترودر فیلامنت خاص بارگیری می شود که دانه ها را ذوب کرده و سپس آنها را به شکل سیم هایی با قطر دقیق خنک می کند (که معمولا 1.75 یا 2.85 میلی متر است). سرانجام، پلاستیک سیمی شده دور یک ماسوره یا رول پیچیده می شود، بسته بندی می شود و به سراسر دنیا ارسال می شود.

وقتی PLA در زمینه هایی غیر از تولید فیلامنت مورد استفاده باشد، فرایند کاملا مشابهی دارد، بجز اینکه فرم دقیق آن بسته به هدف و محصول تغییر می کند

مزایا و معایب

PLA بعنوان یک ماده چاپ سه بعدی مزایای واضحی دارد، اما مهم است بدانیم اینکه این ماده کامل نیست و نواقصی دارد. در ادامه برخی از منافع و معایب و این ماده را لیست کرده ایم.

مزایا:
بسادگی قابل چاپ است: چاپ کردن با PLA خیلی ساده است؛ تقریبا تمام پرینتر های سه بعدی می توانند این ماده را چاپ کنند و نیازمند یک بستر حرارت دهی نمی باشد. PLA در مقایسه با سایر مواد چاپ نیازمند دماهای نسبتا پایین است و می تواند نسبتا سریع چاپ شود (حدود 60 میلیمتر بر ثانیه) و نیازمند محفظه نیست.

ارزان است، خرید PLA در مقایسه با سایر مواد مخصوص چاپ مثل نایلون یا پلی کربنات (PC) نسبتا ارزان تمام می شود و این باعث می شود برای تولیدکنندگان از نظر بودجه تبدیل به یک گزینه عالی شود.

گستره وسیعی از رنگ و گزینه دارد: PLA به شکل های مختلفی وجود دارد و تولیدکنندگان این فیلامنت را تقریبا به هر رنگی که شما تصور می کنید در می آورند.

بعلاوه فیلامنت های PLA کامپوزیت و با هدف خاص مثل PLA ریخته شده با فیبر کربنی، PLA درخشنده و حتی PLA خوشبو وجود دارد.

دوستدار طبیعت و قابل تجزیه زیستی است: از آنجا که PLA دارای منبع گیاهی است، قابل تجزیه است برخلاف سایر پلاستیک ها (مثل ABS) که از نفت خام تصفیه شده تولید می شوند و به محیط زیست ضرر می رسانند.

غیرسمی است: PLA وقتی بدون آلودگی نگهداری شود غیرسمی است ، کاربردهای آن در حال گسترش به زمینه هایی مثل صنایع دارویی و غذایی است.

بدون دود است: وقتی ترموپلاستیک ها ذوب می شوند دود بطور اجتناب ناپذیری آزاد می شود و این دودها خصوصا دود مواد سمی مثل ABS می توانند محتوی استنشاقات مضر و حتی سرطانزا باشند. در حالیکه PLA ممکن است دودهایی آزاد کند اما تقریبا هیچ بویی ندارد و ریسک آن بسیار کمتر است.

معایب:

شکننده و نسبتا ضعیف است: مهمترین عیب PLA استحکام خمشی پایین آن است. قسمت های پرینت سه بعدی شده با PLA بطور قابل توجهی ضعیفتر از قسمت های تزریق شده با قالب و حتی قسمت های پرینت سه بعدی شده با سایر مواد مثل PETG و ABS هستند. همچنین قسمت های PLA معمولا خم نمی شوند و بعد از اعمال نیرویی که به اندازه کافی باشد بسرعت از هم گسیخته می شوند یعنی این ماده خیلی شکننده است.

مقاومت کم در برابر دما و مواد شیمیایی دارد: مهمتر از اینکه PLA محکم ترین ماده نیست، این است که در برابر حرارت نیز مقاومت بالایی ندارد. PLA دمای گذار شیشه پایینی دارد و بنابراین قسمت های پرینت شده با این ماده ممکن است تحت شرایط گرما تغییرشکل دهند و این باعث می شود PLA ماده ایده آلی برای استفاده در بیرون نباشد. بعلاوه، مواد شیمیایی خاصی باعث می شوند PLA مواد شیمیایی اولیه خود بنام لاکتیک اسید را آزاد کند که مقادیر بالای آن مضر است.

به آرامی تجزیه می شود: اگرچه PLA تجزیه پذیر زیستی است همانطور که ممکن است از این پلاستیک انتظار داشته باشید، اما زمان زیادی طول می کشد تا تجزیه شود. تحت شرایط تشکیل ایده آل، پلاستیک PLA سه ماه طول می کشد تا تجزیه شود و این در مقایسه با سایر مواد تجزیه پذیر طولانی است.

کجاها مورد استفاده است؟

PLA محبوب ترین ماده چاپ سه بعدی است اما علاوه بر چاپ سه بعدی استفاده های بسیاری دارد:

1)بسته بندی غذا: PLA یک ماده تماما طبیعی، غیرسمی و از نظر تئوری ایمن در برابر غذا است و این باعث می شود تبدیل به یک پلاستیک عالی برای بسته بندی غذا شود زیرا غذا را آلوده نمی کند. اگرچه PLA می تواند با مواد شیمیایی و مایعات خاصی واکنش دهد اما نتایج نشان داده است که مقدار ناچیزی لاکتیک اسید آزاد می کند. برای مثال، کار طبیعت، که یک شرکت پلاستیک زیستی است، با موفقیت از PLA برای تولید مولفه های ایمن در برابر غذا برای بسته بندی غذایی استفاده نموده است.

2)دارویی: یکبار دیگر، ترکیب غیرسمی PLA آن را در صنعت دارویی و سلامتی مفید ساخته است. مولفه های PLA در وسایل ترمیم استخوان مثل پیچ ها و صفحات متصل کننده مورد استفاده قرار می گیرد.

3)نمونه سازی: نمونه سازی اولیه در PLA معمولا با چاپ سه بعدی انجام می شود و روشی عالی برای تجارت ها و افراد است تا بتوانند یک ایده ای را جان ببخشند. این بدین دلیل است که چاپ با PLA بسیار ساده است، ارزان است و می تواند با هر چاپگر سه بعدی FDM انجام شود.

4)کاربردهای ساختاری: علیرغم شکنندگی و دوام پذیری پایین آن، PLA معمولا در ساختمان سازی از الیاف فرش گرفته تا فوم عایق مورد استفاده است. همچنین PLA را می توان برای مبلمانی که تحت تنش فیزیکی نیست مورد استفاده قرار داد.

5)منسوجات: PLA همچنین در تولید لباس و سایر منسوجات مورد استفاده است بدلیل قابلیت تنفس، وزن کم، و سایر ویژگی هایی که دارد. PLA مطمئنا محبوب ترین پلاستیک در صنعت منسوجات نیست اما پتانسیل آن را دارد و یک جایگزین دوستدار طبیعت است. مثالی از این استفاده را می توان در پروژه Fibfab یافت که با موفقیت PLA را برای استفاده در تولید لباس معمولی و محافظ امتحان کرده است.

6)لوازم آرایش: صنعت لوازم آرایش نقش عظیمی در ضایعات پلاستیک دارد و PLA بعنوان جایگزینی برای بسته بندی بدلیل اینکه دوستدار طبیعت و دارای منبع گیاهی است هرچه بیشتر در حال محبوب شدن است. 

حال که صنایعی که در آن PLA استفاده بالایی دارد را می شناسید، در ادامه روش های چندی برای تولید مولفه های PLA آورده شده است:

چاپ سه بعدی:  چاپ سه بعدی FDM روشی بسیار رایج برای تولید قطعات PLA است. این ماده بسادگی قابل چاپ است و نیاز به دماهای بالا ، بستر حرارتی و یا اکسترودر با محرک مستقیم ندارد.

قالب گیری تزریقی: قالب گیری تزریقی رایجترین روش تولید قسمت های پلاستیکی است و به این شکل است که قطعات پلاستیکی هر روز تولید می شوند. در حالیکه قالب گیری تزریقی معمولا با پلاستیک ABS برای تولید قطعاتی مثل اجرهای لگو یا قسمت های داخلی ماشین (مثل داشبوردها) مورد استفاده است، اما این روش می تواند با PLA هم کار کند. اگرچه PLA بدلیل نرخ بلورشدگی پایین آن به اندازه قالبگیری تزریقی رایج نیست.

ریخته گری و غیره: ریخته گری خیلی شبیه قالبگیری تزریقی است اما از گرانش بجای فشار اعمال شده برای شکل دادن قطعات استفاده می کند. روش های تولید مشابه دیگری برای PLA وجود دارد مثل شکل دادن حرارتی. این روش ها نیز مثل قالب گیری تزریقی برای تولید قطعات PLA خیلی رایج نستند اما در برخی صنایع مورد استفاده اند.

ویژگی های پلاستیک pla:

اگرچه ما قبلا چند مورد را ذکر کردیم، مثل شکنندگی، اما پلاستیک PLA ویژگی های بسیاری دارد که ارزش بحث کردن دارد:

استحکام: پلاستیک PLA بدلیل استحکام آن شناخته شده نیست (مثل نایلون یا PC) اما استحکام یک قطعه PLA بیشتر وابسته به این است که چگونه ساخته می شود تا خود ماده. برای مثال استفاده از چگالی پر کنندگی بالاتر و ارتفاع لایه می تواند منجر به چاپ قطعه سه بعدی محکمتری شود.

انعطاف پذیری: PLA یک پلاستیک سخت است یعنی استحکام خمشی کمی در مقایسه با سایر پلاستیک ها دارد خصوصا پلاستیک های انعطاف پذیر مثل TPU. بعلاوه، همانطور که ذکر کردیم، PLA شکننده است. بجای خم شدن معمولا گسیخته شده و می شکند.

مقاومت در برابر دما: PLA نیازمند یک بستر حرارت دیده برای چاپ نیست به این معنی که می تواند در دستگاه های بودجه مورد استفاده باشد. این بدلیل دمای گذار شیشه پایین PLA است یعنی بسرعت تحت دما تغییر شکل می دهد. این بدین معنی است که شما شاید نباید از قطعات PLA در بیرون استفاده کنید و آنها را در معرض تابش مستقیم آفتاب قرار ندهید زیرا بسادگی از شکل می افتد.

مقاومت در برابر UV: برخلاف ABS، که مقاومت بالایی در برابر UV دارد، PLA اشعه آفتاب را خیلی خوب تاب نمی آورد. قطعات PLA می توانند مشابه با وقتی که در معرض حرارت هستند، وقتی به مدت محدود در برابر نور UV قرار می گیرند تغییر شکل دهند.

مقاومت در برابر مواد شیمیایی: PLA در حلال هایی مثل استون یا الکل ایزوپروپیل قابل حل نیست و در کل پلاستیک PLA خیلی در برابر مواد شیمیایی مقاوم است و ماده ای از نظر شیمیایی مقاوم است. اگرچه شما هنوز هم می توانید از حلال های قویتر مثل دی کلرومتان و مخلوط هایی مثل XTC3D برای حل کردن یا هموار کردن لایه ای قطعات PLA استفاده کنید.

 عملکرد پرینت:

PLA ماده ای است که عمدتا برای چاپ سه بعدی مدنظر است برخلاف سایر پلاستیک ها مثل ABS یا پلی کربنات که غالبا به سایر روش ها مورد استفاده اند. در کل، PLA بدلیل چند فاکتور زیر عملکرد چاپ بالایی دارد.

اول، PLA نیازمند بستر حرارتی، داشتن محفظه یا اکسترودر محرک مستقیم نیست و بنابراین تجهیزات مورد نیاز برای چاپ این ماده گران نیست و گاهی کمتر از 100 دلار هزینه برمی دارد. موادی مثل ABS، PETG و TPU همگی حداقل نیازمند یکی از این چیزها برای چاپ با کیفیت هستند.

دوم، PLA بطور گسترده ای در دسترس است و مصرف کننده صنعت چاپ سه بعدی به اندازه کافی رشد کرده است که فیلامنت PLA بسادگی بطور انلاین در دسترس باشد. همچنین نسبتا ارزان است و از حدود 20 دلار به ازای هر کیلوگرم به بالاست. سایر فیلامنت ها مثل PETG به ازای هر کیلوگرم چند دلار گرانتر هستند و قابلیت های کمتری دارند.

سوم، PLA نسبتا تنظیمات چاپ مختلفی را (با محدودیت) متحمل می شود پس دستیابی به یک چاپ خوب بدون فرایندهای تست طولانی برای تنظیمات عالی اسلایسر نسبتا ساده است. اغلب نرم افزارهای اسلایسر پیش فرض مدل رضایت بخشی به شما ارائه می کنند و تنظیمات خیلی کمی می تواند حتی کیفیت چاپ شما را بهتر نماید. در مقابل، ABS، PETG و TPU همگی حساس به تنظیمات اسلایسر هستند و بنابراین نرم افزار اسلایسر شما برای این مواد باید به خوبی تنظیم شود تا چاپ خوبی را تولید نماید.

در آخر، PLA را می توان سریعتر از اغلب مواد دیگر چاپ کرد و بدلیل اشتیاق برای نمونه سازی سریع، PLA بدلیل توسعه سریع نمونه های اولیه محبوب است. هیچکس نمی خواهد روزها صبر کند تا اولین نمونه اولیه تولید شود زیرا تا آن وقت ممکن است نمونه دیگری را مدنظر قرار دهند.

انواع pla:

در طی سالها، بسیاری از انواع منحصربفرد فیلامنت PLA ظهور یافتند و این انتخاب های زیادی به مصرف کننده می دهد:

استاندارد: اولین و مهمترین، PLA استاندارد نوع رایج و منظم PLA در صنعت چاپ سه بعدی است که ویژگی های منحصربفرد یا خاصی ندارد بجز ویژگی های اساسی مواد PLA.

پلاس: پلاس و پرو عبارت رایجی در تجارت فیلامنت هستند برای توصیف ماده ای که با افزودنی های خاص مخلوط شده است تا کارایی آن افزایش یابد و معمولا افزایش استحکام مدنظر است. PLA پرو و PLA پلاس گزینه های عالی هستند اگر شما می خواهید قسمت های قابل استفاده تابعی و واقعی را چاپ کنید که در معرض تنش های فیزیکی قرار می گیرند اما با ماده ای که چاپ آن ساده است.

چوبی: PLA چوبی نوعی کامپوزیت از PLA است که حاوی افزودنی هایی است که ویژگی های چوبی مانند به آن می دهند و این فیلامنت برای تولید قطعاتی که می خواهیم چوبی باشد مثل پلاک ها مفید است.

ابریشم: PLA ابریشمی منجر به پرداخت فوق براق، هموار و ابریشمی قطعات می شود و آن را تبدیل به قطعه محبوبی برای چاپ قطعات زیبا مثل ظروف و گلدان می کند.

مرمری: فیلامنت مرمری گزینه محبوب دیگری است و فیلامنت های مرمری واقعی حاوی ذرات کوچکی از مرمر هستند تا پرداخت مرمری مانند و خالدار داشته باشند. سایر فیلامنت های خالدار نیز گاهی بعنوان PLA مرمری دسته بندی می شوند حتی اگر حاوی ذرات واقعی مرمر نباشند.

درخشنده: PLA درخشنده یا جرقه زن یک مورد جالب است. این نوع PLA ذرات درخشان بزرگی دارد که بسیار مرئی هستند و بنابراین شما می توانید درخشش قطعه چاپ شده را در زیر نور نور ببینید.

کربن فایبر: این نوع PLA کامپوزیت دیگری است و همانطور که از نامش پیداست یک فیلامنت PLA ریخته شده با ذرات رشته های کربنی برای افزایش استحکام PLA  و دوام پذیری آن است در حالیکه اغلب ویژگی های بسادگی قابل استفاده ی آن را حفظ می کند.

شب تاب: PLA شب تاب بسیار محبوب است و بدلیل افزودنی های خاص به فیلامنت در تاریکی می درخشد.

رسانا: PLA رسانا نوعی فیلامنت است که منجر به رسانایی الکتریکی قطعات می شود و شما می توانید از آنها برای پروژه های الکتریکی با بزرگی کم استفاده کنید مثل تامین توان یک LED با استفاده از یک مدار چاپ شده بطور سه بعدی.

دوام پذیری:

همانطور که ذکر شد، منبع پلاستیک PLA بجای مواد مضر مثل نفت خام که سایر پلاستیک ها از آن ساخته می شوند، گیاهانی مثل ذرت است. این بدین معنی است که PLA یک ماده پایدار برای اغلب قسمت هاست زیرا گیاه نسبتا تجدیدپذیر است.

همچنین PLA از نظر فنی قابل تجزیه زیستی است اما حتی در شرایط ایده آل زمان می برد تا پلاستیک PLA تجزیه شود. یک مطالعه نشان داد که در محیط با کود کنترل شده با حرارت و ارگانیسم های تجزیه کننده برای تسریع فرایند، پلاستیک PLA سه ماه زمان می برد تا تجزیه شود.

در شرایط کنترل نشده، حتی از سه ماه هم بیشتر زمان می برد تا PLA بطور طبیعی تجزیه شود. بنابراین اینطور نیست که شما تمام مدلهای سه بعدی خود را در کود یا در روی زمین از دست دهید. در عوض بهتر است قطعات PLA برای تجزیه پلاستیک های زیستی به یک تاسیسات فرستاده شوند.

گیاهان مورد نیاز برای تولید PLA بعنوان منابع غذایی، مهم هستند و برخی ادعا می کنند که برای این کره خیلی هم خوب نیست که این منابع محدود محصولی برای ساختن پلاستیک مورد استفاده قرار گیرند بجای غذا. شاید در آینده، PLA را بتوان بعنوان یک ماده دوام ناپذیر دید اگر بازدهی محصولات به اندازه کافی بالا نباشد تا نیاز به غذا و همینطور پلاستیک را براورده نماید.

در کل، در حالیکه PLA از نظر فنی یک ماده پایدار است، اما محدودیت هایی نیز دارد. هنوز هم، PLA یک پلاستیک زیستی است و دوام پذیرتر از سابر پلاستیک هاست مثل ABS که کاملا وابسته به منابع تجدیدناپذیر است و تجزیه نمیشود (یا با این سرعت بالا تجزیه نمی شود).

سمی بودن و ایمنی غذایی:

سرانجام، مهم است که سمی بودن و امنیت غذایی پلاستیک PLA را مورد بحث قرار دهیم زیرا این بررسی برای استفاده از هر ماده ای ، حیاتی است. PLA ماده ای غیرسمی ست و از نظر تئوری می تواند برای تولید آیتم های ایمن غذایی مورد استفاده باشد برخلاف سایر پلاستیک های چاپ شده سه بعدی مثل ABS. اگرچه فاگتورهای زیادی در ایمنی غذایی PLA نقش دارند خصوصا اگر یک قطعه چاپ شده سه بعدی باشد.

اینکه یک ماده غیرسمی است بدین معنی نیست که می تواند بطور ایمن در تماس با مواد غذایی قرار گیرد. برای مثال، چاپ سه بعدی FDM قسمت های لایه به لایه ای را تولید می کند و گاف های تقریبا واضحی بین این لایه ها وجود دارد. این گاف ها می توانند ذرات خارجی را گیراندازی کنند و بطور بالقوه ای آن قطعه را آلوده کنند و باعث شوند آن غذا دیگر ایمن نباشد. اگرچه فیلامنت PLA قبل از اینکه این اتفاق رخ دهد، از طریق یک اکسترودر، لوله، انتهای داغ و یک نازل تغذیه میشود که تمام این موقعیت ها در غیر اینصورت بطور بالقوه موادی ناایمن هستند که در تماس با PLA قرار می گیرند.

با وجود این، مهم است که بیاد داشته باشیم در حالیکه پلاستیک خالص PLA غیرسمی است و ایمنی غذایی دارد اما سایر مواد و ذرات می توانند بر ایمنی قطعه پرداخت شده تاثیر بگذارند.