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Heutzutage werden mehr Kunststoffarten für den 3D-Druck verwendet als je zuvor. Da die Vielfalt an Kunststoffen von Jahr zu Jahr zunimmt, wird es immer schwieriger, zwischen den verschiedenen Drahttypen und ihren besten Verwendungsmöglichkeiten zu unterscheiden.
PLA mag für die meisten Verbraucheranwendungen in Ordnung sein, aber was ist, wenn Sie ein stärkeres oder flexibleres Material benötigen? Kohlefaser-Nylon hingegen deckt möglicherweise die meisten industriellen Anwendungen ab, aber was ist, wenn Sie mehr Schlagfestigkeit oder Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturen benötigen?
Um dies herauszufinden, gibt es einen Ausgangspunkt: das technische Datenblatt des Materials oder TDS. Diese Dokumente, die normalerweise bei Wiederverkäufern oder 3D-Druckdienstleistern erhältlich sind, beziehen sich auf ein bestimmtes Filament und führen auf, wie aus diesem Filament hergestellte Musterteile in mehreren standardisierten Labortests abgeschnitten haben, einschließlich Festigkeit, Flexibilität und anderen für das Endteil wichtigen mechanischen Eigenschaften.
Man muss lediglich TDS vergleichen und schon hat man eine klare Vorstellung davon, welches Material die bessere Wahl ist.
Leider verwenden Materialhersteller unterschiedliche Methoden zur Messung der Eigenschaften. Es gibt unterschiedliche Begriffe für dasselbe, unterschiedliche internationale Testmethoden (ISO, ASTM usw.), unterschiedliche Maßeinheiten, unterschiedliche angegebene Ergebnisse (Maximum, Durchschnitt usw.) und eine Vielzahl anderer Variationen, die einen direkten Vergleich der Datenblätter ermöglichen fast unmöglich.
Wenn Sie zunächst die folgenden im TDS aufgeführten Materialfestigkeits- und Flexibilitätskonzepte verstehen und wissen, wie sie sich auf die für Ihren endgültigen Druck erforderlichen Eigenschaften auswirken, können Sie eine genauere Materialauswahl treffen.
Drahtstärke und ihre Messmethode
Es gibt viele wissenschaftliche Methoden zur Kraftmessung. Normalerweise finden Sie auf Datenblättern zu Kabeln mindestens drei davon:
- Zugfestigkeit
- Biegefestigkeit
- Schlagfestigkeit
Was ist Zugfestigkeit?
Die Zugfestigkeit (auch Höchstzugfestigkeit, Bruchzugfestigkeit, Ultimate Strength, FTU genannt) bezieht sich auf die Spannung oder Beanspruchung, der ein Material standhalten kann, wenn es auseinandergezogen wird, bevor es bricht. Beim Testen der Zugfestigkeit wird das Material tatsächlich in eine schraubstockähnliche Maschine gelegt und in die entgegengesetzte Richtung gezogen.
Aus praktischerer Sicht bezieht sich diese Messung darauf, wie schnell oder spröde das Teil bricht. Eine höhere Zugfestigkeit bedeutet, dass das Material einer größeren Kraft standhalten kann, bevor es bricht. Als Referenz hat PLA-Draht eine Zugfestigkeit von etwa 30 MPa, Kohlefaser-Nylon hat eine Zugfestigkeit von etwa 100 MPa und Edelstahl hat eine Zugfestigkeit von 860 MPa.
Die Zugfestigkeit und viele andere Eigenschaften eines 3D-gedruckten Teils hängen davon ab, ob sich das Teil entlang oder quer zu den Lagenlinien dehnt (mehr dazu weiter unten), sodass Sie in einer TDS-Messung möglicherweise zwei oder drei Zugfestigkeiten sehen.
Die gemeldeten Zugfestigkeitswerte können Durchschnittswerte, typische Werte oder Extremwerte (d. h. Maximalwerte) sein. Dabei kann es sich um den Fließwert oder den Bruchwert handeln. Das Problem vieler technischer Datenblätter besteht darin, dass sie nicht angeben, welcher Wert aufgeführt ist.
Was ist Biegefestigkeit?
Diese Eigenschaft (auch Streckgrenze, Bruchmodul oder Biegefestigkeit genannt) bezieht sich darauf, wie stark sich ein Material biegen oder biegen lässt, ohne zu brechen. (Verwechseln Sie es nicht mit dem Biegemodul, also dem Grad, bis zu dem ein Material einer Biegung widersteht.) Die Biegefestigkeit ist eine wichtige Eigenschaft eines Materials bei Anwendungen, bei denen es einer Belastung ausgesetzt ist, die dazu führt, dass es sich biegt, anstatt es zu komprimieren oder zu dehnen. Dies ist eine entscheidende Eigenschaft für Materialien, die in Anwendungen verwendet werden, bei denen sie Lasten tragen müssen, ohne zu knicken, wie z. B. Halterungen, Haken und andere Strukturkomponenten.
Bei einem typischen Biegetest wird eine Probe (normalerweise in Form eines rechteckigen Balkens) auf zwei Stützen gelegt und eine Kraft auf die Mitte des Balkens ausgeübt, bis er sich biegt oder bricht. Unter den häufig verwendeten Polymerfilamenten für den 3D-Druck weisen PEEK, PEI und ihr kohlenstofffaserverstärktes Nylon im Allgemeinen die höchste Biegefestigkeit auf.
Was ist Schlagfestigkeit?
Die Schlagfestigkeit (auch Izod-Schlagzähigkeit oder Charpy-Schlagzähigkeit genannt, oft Zähigkeit genannt) bezieht sich auf das Ausmaß, in dem eine Komponente beim Herunterfallen zerbricht, oder auf die Fähigkeit einer Komponente, einer Rissbildung zu widerstehen, wenn eine plötzliche Kraft ausgeübt wird. Diese Kräfte können in Joule pro Quadratmeter (J/m2) oder Fuß-Pfund pro Quadratzoll (ft·lb/in2) gemessen werden.
Die Schlagfestigkeit gibt an, wie viel Energie ein Polymer absorbieren kann, bevor es bricht, wenn es einem Aufprall mit hoher Geschwindigkeit oder hoher Intensität ausgesetzt wird. Diese Eigenschaft ist wichtig für die Haltbarkeit und Zähigkeit eines Polymers, insbesondere bei Anwendungen, bei denen das Material Stößen, Stürzen oder dynamischen Kräften ausgesetzt sein kann, wie zum Beispiel bei Sportgeräten oder Automobilteilen.
Polycarbonat (PC) und ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) sind zwei gängige Drähte mit hoher Schlagfestigkeit.
Beim 3D-Druck beeinflusst die Ausrichtung des gedruckten Teils aufgrund des schichtweisen Charakters des Prozesses dessen mechanische Eigenschaften, einschließlich der Zugfestigkeit. Aus diesem Grund gibt es im Allgemeinen drei verschiedene Methoden zur Messung der Zugfestigkeit, je nachdem, in welche Richtung die Probe gedruckt wird:
Ebene XY-Richtung (oder X): Dies bezieht sich auf die Zugfestigkeit, gemessen entlang der Länge des Teils, parallel zur Bauplatte. In dieser Ausrichtung sind die Schichten horizontal gestapelt, sodass die Festigkeit des Materials hauptsächlich davon abhängt, wie gut das Material entlang der Länge des Teils aufgetragen und verbunden wird.
Kante XZ (oder Querrichtung): Misst die Zugfestigkeit entlang der Breite des Teils, ebenfalls parallel zur Bauplatte, aber senkrecht zur X-Achse. Ähnlich wie in der X-Richtung wird die Festigkeit in dieser Richtung durch die Verbindung zwischen benachbarten Extrusionen in jeder Schicht bestimmt.
Aufrecht ZX (oder Vertikal): Misst die Zugfestigkeit entlang der Höhe des Teils (senkrecht zur Bauplatte). In dieser Richtung wird die Festigkeit des Materials hauptsächlich durch die Zwischenschichtbindung beeinflusst, die im Allgemeinen schwächer ist als die Bindung in der Ebene (X- oder Y-Richtung). Daher ist die Zugfestigkeit in Z-Richtung im Vergleich zu X- und Y-Richtung tendenziell geringer.
Die drei Festigkeitsmessungen spiegeln die Anisotropie des 3D-gedruckten Teils wider, was bedeutet, dass die mechanischen Eigenschaften nicht in allen Richtungen gleich sind. Das Verständnis der richtungsabhängigen Festigkeit kann dabei helfen, Komponenten so zu konstruieren, dass sie für ihren vorgesehenen Verwendungszweck stabil genug sind, insbesondere wenn es sich um tragende oder stark beanspruchte Komponenten handelt. Leider geben manche technischen Datenblätter nur eine Zahl an und verraten oft nicht, welche Richtung der Wert darstellt.
Drahtflexibilität und ihre Messmethode
Wenn Sie in Ihrem Endteil ein gewisses Maß an Flexibilität benötigen, müssen Sie auf einige wichtige Flexibilitätsmaße achten:
- Biegemodul
- Elastizitätsmodul
- Härte
- Bruchdehnung
Was ist der Biegemodul?
Der Biegemodul (auch Biegemodul genannt) ist die Tendenz eines Materials, einer Biegung zu widerstehen, also seine Steifigkeit. Ein hoher Biegemodul bedeutet, dass das Material weniger flexibel ist. Beispielsweise ist das meiste kohlenstofffaserverstärkte PA12 steif und hat einen maximalen Biegemodul von etwa 14 GPa. Flexibles PA 11 hingegen hat einen Biegemodul von 0,65. Beachten Sie, dass der Biegemodul in Megapascal (MPa) oder Gigapascal (GPa, also MPa mal 1.000) ausgedrückt wird.
Was ist der Elastizitätsmodul?
Der Elastizitätsmodul (auch Elastizitätsmodul, Zugmodul, Kompressionsmodul oder Elastizitätsmodul genannt) wird zur Bewertung der Elastizität eines Materials verwendet. Dabei handelt es sich um das Verhältnis zwischen der Verformung des Materials und der zu seiner Verformung erforderlichen Kraft. Typische TPU-Filamente haben beispielsweise einen Elastizitätsmodul von etwa 50 MPa (sehr elastisch), während die meisten PEEK-Filamente einen Elastizitätsmodul von 4.000 MPa (unelastisch) haben.
Was ist Shore-Härte?
Härte scheint ein vager Begriff zu sein, wenn es um Polymerfilamente geht. Es kann sich auf die Kratzfestigkeit, die Abrieb- und Abriebfestigkeit oder die Beulfestigkeit eines Bauteils beziehen. Die Härte von Kunststoffen wird üblicherweise als Rockwell- oder Shore-Härte ausgedrückt, die wenig mit der Festigkeit oder Flexibilität des Materials zu tun hat.
Shore-Härte ist ein Begriff, den man oft hört, wenn man über Polymere spricht, aber er ist allgemeiner als die bisher behandelten Messungen. Beispielsweise haben alle Elastomere und flexiblen Drähte (wie TPU) eine Härte von Shore A und innerhalb der Klasse A einen separaten Wert, beispielsweise Shore 95A. Im Vergleich dazu hat ABS eine Härte von Shore D, und viele Hersteller von Polymermaterialien machen sich nicht die Mühe, einen Shore-Wert für ein Material anzugeben, das überhaupt nicht flexibel ist.
Was ist Bruchdehnung?
Obwohl dies nicht das nützlichste Maß an Flexibilität ist, ist es doch am einfachsten vorstellbar. Wenn ein Material eine Bruchdehnung von 4 % hat, können Sie sich vorstellen, dass sich Ihr Stent unter Last um 4 % aus der Horizontalen biegt (ein typischer ABS-Wert), bevor er bricht, während Nylon eine Bruchdehnung von 120 % hat, was bedeutet, dass dies der Fall sein wird Biegen Sie mehr, bevor Sie brechen.
Diese Metrik wird normalerweise als Prozentsatz der ursprünglichen Länge des Materials ausgedrückt. Ein hoher Prozentsatz bedeutet, dass das Teil einer größeren Dehnung oder Verformung standhalten kann, bevor es bricht, was es ideal für Anwendungen macht, die Flexibilität, Zähigkeit oder Schlagfestigkeit erfordern.
Kein Messergebnis kann die Gesamtsituation erklären
Die Zugfestigkeit ist eine wichtige Messgröße für die Bewertung der Leistung von Polymeren in Fahrradrahmenhalterungen, aber sie ist für sich genommen möglicherweise nicht die beste Messgröße. Sie müssen eine Reihe von Materialeigenschaften berücksichtigen, die auf den Kräften basieren, denen die Halterung ausgesetzt ist.
Die besten Materialien für Fahrradständer sollten neben der Zugfestigkeit auch eine hohe Biegefestigkeit aufweisen, während die Schlagfestigkeit weniger wichtig ist.
Um einige der oben genannten Eigenschaften und ihre Wechselbeziehungen zu veranschaulichen, haben einige Materialhersteller damit begonnen, spinnennetzartige Diagramme der wichtigsten Eigenschaften zu verwenden, um Ihnen eine Übersicht auf einen Blick zu bieten. Diese Diagramme sind nützliche Momentaufnahmen der Wechselbeziehungen der Haupteigenschaften des Drahtes.
Leider wählen keine zwei Hersteller die gleichen sechs oder sieben Kabeleigenschaften aus oder zeigen sie in der gleichen Reihenfolge an, sodass sie für den Vergleich verschiedener Kabel verschiedener Marken nicht sehr nützlich sind.
