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Der 3D-Druck umfasst eine Vielzahl von Technologien, die beliebteste auf Verbraucherebene ist jedoch das Fused Deposition Modeling (FDM). Filamente können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, sind jedoch in der Regel Thermoplaste, da sie leicht schmelzen und wieder erstarren.
Unter den vielen verschiedenen Filamentarten ist Polymilchsäure (PLA) die beliebteste, die für ihre einfache Handhabung und ihren niedrigen Preis bekannt ist. Es gibt aber auch andere gebräuchliche Materialien, wie z. B. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), ein Material, das häufig für den Spritzguss von Konsumgütern verwendet wird.
PLA und ABS sind die beiden beliebtesten Filamente für den FDM-3D-Druck. Obwohl es sich bei beiden um Thermoplaste handelt und sie ähnlich aussehen, weisen sie viele Unterschiede auf. In diesem Artikel werden wir diese beiden Materialien in verschiedenen Punkten vergleichen, darunter Materialeigenschaften, Druck und Preis.
Materialeigenschaften
Werfen wir zunächst einen Blick auf die Materialeigenschaften von PLA und ABS. Wir werden ihre Festigkeit, Haltbarkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, Nachbearbeitungsfähigkeit, Wasserdurchlässigkeit und Recyclingfähigkeit untersuchen.
ultimative Zugfestigkeit
Die ultimative Zugfestigkeit (UTS) ist die maximale Belastung, der ein Material standhalten kann, wenn es gedehnt oder gezogen wird, bevor es bricht. Sie wird mit einer Zugprüfmaschine gemessen, die eine Zugprobe auf eine Probe ausübt, bis diese bricht.
Laut leicht verfügbaren Materialdatenblättern und anderen Tests weist PLA bei identisch belasteten Proben, die mit denselben Einstellungen gedruckt wurden, eine höhere Zugfestigkeit als ABS auf. Allerdings sollte man auch bedenken, dass die Dichte von PLA (~1,25 g/cm 3 ) etwa 20 % höher ist als die von ABS (~1,04 g/cm 3 ). Dadurch ist ihr UTS-Gewichts-Verhältnis sehr ähnlich, obwohl PLA immer noch einen leichten Vorteil hat.
Der Grad der Haftung zwischen den Schichten beeinflusst die endgültige Zugfestigkeit des Materials. ABS reagiert empfindlicher auf Schichthaftungsprobleme als PLA. Bei unsachgemäßem Druck (z. B. unzureichender Durchfluss und niedrige Umgebungstemperaturen) verringert sich die Schichthaftung von ABS, wodurch die Festigkeit des Teils verringert wird, insbesondere bei schichtübergreifender Belastung. Beim Drucken von ABS auf einem geschlossenen Drucker mit höheren Umgebungstemperaturen stellt dies jedoch kein Problem dar, da hierdurch eine hervorragende Schichthaftung erzielt wird.
Schlagfestigkeit
Schlagfestigkeit, auch Schlagfestigkeit genannt, ist die Fähigkeit eines Materials, Stoßbelastungen standzuhalten – also die Fähigkeit des Materials, eine plötzliche oder starke Kraft oder einen Aufprall zu absorbieren, ohne zu brechen. Zu den gängigen Prüfmethoden gehören der Izod-Schlagversuch und der Charpy-Kerbschlagversuch, bei dem ein Pendel auf eine gekerbte Probe trifft und die beim Bruch absorbierte Energie misst. Sie können sogar ein DIY-Gerät zum Aufpralltest herstellen, wie es von My Tech Fun verwendet wird.
Hinsichtlich der Schlagfestigkeit hat ABS große Vorteile gegenüber PLA. Dies ist nicht verwunderlich, da ABS für seine extrem hohe Schlagzähigkeit bekannt ist, insbesondere unter den kostengünstigen Polymeren. PLA ist härter und spröder.
Haltbarkeit
Bei der Beschreibung eines Materials bezieht sich der Begriff Haltbarkeit auf seine Fähigkeit, unter vorgesehenen Betriebsbedingungen lange Zeit ohne wesentliche Verschlechterung zu halten. Hier geht es nur um UV-Beständigkeit und Chemikalienbeständigkeit.
UV-beständig
Obwohl ABS UV-beständiger ist als PLA, zersetzen sich beide Materialien unter UV-Einwirkung. Sie können sich für Acrylnitril-Styrol-Acrylat (ASA) entscheiden, das ein Derivat von ABS ist und eine bessere UV- und Witterungsbeständigkeit aufweist. Es behält auch die hervorragenden mechanischen Eigenschaften und die hohe Temperaturbeständigkeit von ABS bei, ist jedoch teurer als beide Filamente.
chemische Beständigkeit
Im Hinblick auf die chemische Beständigkeit ist PLA anfälliger für chemische Zersetzung durch verschiedene Säuren und Alkohole (und in unterschiedlichen Konzentrationen) als ABS. Prusa Research hat eine Übersichtstabelle entwickelt, in der verschiedene Filamente unter Laborbedingungen getestet wurden. Sie werden feststellen, dass ABS in den meisten Fällen höher bewertet wird als PLA.
Temperaturbeständigkeit
Eine hohe Temperaturbeständigkeit ist ein wichtiger Aspekt, der bei vielen Anwendungen berücksichtigt werden muss, einschließlich Maschinenteilen und Teilen, die hauptsächlich im Freien verwendet werden. Wenn Teile über einen längeren Zeitraum hohen Belastungen ausgesetzt sind, kann eine fortschreitende mechanische Verformung beobachtet werden. Dieses Phänomen wird „Kriechen“ genannt und die Temperatur ist der Hauptfaktor für das Materialkriechen.
Die ISO75-Testnorm gibt die Wärmeverformungstemperatur an, d. h. die Temperatur, bei der sich das Material unter kleinen Belastungen von 0,45 MPa und 1,8 MPa sofort um 0,25 mm verformt. Bei diesen Temperaturen verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften der Teile dramatisch und sie werden für den mechanischen Einsatz unbrauchbar.
In dieser Hinsicht hat ABS große Vorteile gegenüber PLA. Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur von PLA beträgt etwa 60 °C, während ABS etwa 100 °C erreichen kann. Beachten Sie jedoch, dass Sie die Teile bei diesen Temperaturen, insbesondere unter Last, nicht sicher und funktionsfähig nutzen können.
Die sichere Betriebstemperatur (kein oder minimales Materialkriechen) liegt deutlich unter der Wärmeformbeständigkeitstemperatur. Beispielsweise kann ein erhebliches Kriechen beobachtet werden, wenn ABS-Teile in geschlossenen Vorons über einen längeren Zeitraum Temperaturen über 70 °C ausgesetzt werden.
Bei PLA-Teilen kann eine längere Einwirkung von Temperaturen über 35 °C zu Problemen führen. PLA ist sehr hitzeintolerant. Aufgrund seiner hohen Kriecheigenschaften und der extrem geringen Kältebeständigkeit ist dieser Werkstoff nicht für den Einsatz in Funktionsteilen geeignet.
Hygroskopizität
Sowohl PLA als auch ABS sind stark hygroskopisch und können leicht Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen. Diese Feuchtigkeit kann das Material selbst beschädigen und zu übermäßigem Fadenziehen, Blasen und schlechter Schichthaftung während des Druckvorgangs führen. Dies führt zu einer schlechteren Druckqualität und -stärke. ABS ist im Allgemeinen hygroskopischer als PLA.
In jedem Fall empfiehlt es sich, beide Materialien in einer nicht feuchten Umgebung zu lagern und vor dem Druck zu trocknen (PLA ca. 55°C, ABS ca. 75°C).
Lebensmittelsicherheit
Sowohl reines PLA als auch reines ABS sind ungiftig und lebensmittelecht. Sie werden häufig in Anwendungen im Zusammenhang mit der Lebensmittelverarbeitung und -anwendungen eingesetzt und anerkannt. PLA wird beispielsweise häufig in umweltfreundlichem Geschirr verwendet, während ABS in Werkzeugen wie Lebensmittelbehältern und Keksausstechern verwendet wird. Allerdings werden Produkte für diese Anwendungen oft aus reinen Neupartikeln spritzgegossen.
3D-Druckfilamente enthalten Zusatzstoffe, die die Materialeigenschaften und das Druckerlebnis erheblich verbessern können, wie z. B. die Reduzierung von Verwerfungen, ohne dass die Kavität zu heiß wird. In den meisten Fällen machen diese Zusatzstoffe das Filament für den Lebensmittelgebrauch ungeeignet. Dennoch bieten einige Hersteller Drähte an, die den Lebensmittelstandards entsprechen.
Zusätzlich zu den Verbrauchsmaterialien gibt es wichtige Überlegungen zur Hardware im Zusammenhang mit der Lebensmittelsicherheit. Teile des Druckers, die mit dem Filament in Berührung kommen, sind möglicherweise unsicher. Beispielsweise dürfen Extruderzahnräder, Hot-End-Pfade und Düsen nicht aus lebensmittelechtem Stahl gefertigt sein. Möglicherweise waren sie nicht lebensmittelechten Verbrauchsmaterialien oder Schmiermitteln ausgesetzt. Auch Messingdüsen können verschleißen und Messingrückstände im gedruckten Teil hinterlassen.
Zwischen den Schichten der FDM-Teile können auch kleine Lücken vorhanden sein, in denen Bakterien wachsen und überleben können. Ohne ordnungsgemäße Wiederaufbereitung sind diese Teile unsicher.
Daher wird die Verwendung von FDM-gedruckten PLA- oder ABS-Teilen für Lebensmittelanwendungen nicht empfohlen, es sei denn, Sie haben Maßnahmen zur Vermeidung jeglicher Form von Kontamination in Betracht gezogen und ergriffen.
Recyclingfähigkeit
Aus Recyclingsicht sind sowohl PETG als auch ABS recycelbar. Allerdings fallen sie alle unter den Harz-Identifikationscode Nr. 7 („Sonstige“), was bedeutet, dass keines von ihnen durch regelmäßige Sammlung recycelt werden kann. Leicht recycelbare Materialien reichen von Nr. 1 bis Nr. 6, das sind die Kunststoffarten, die typischerweise in Recyclingprogrammen für Straßensammlungen enthalten sind.
In den meisten Fällen ist es weder rentabel noch unpraktisch, Polymere der Klasse 7 zu recyceln, sodass sie entsorgt werden. Es gibt jedoch auch Dienstleistungen zum Recycling von 3D-gedruckten Teilen, darunter PLA- und ABS-Materialien.
Wir können auch die biologische Abbaubarkeit berücksichtigen. PLA ist biologisch abbaubar und kompostierbar, da es aus Materialien wie Mais hergestellt wird. Für den vollständigen biologischen Abbau sind jedoch sehr spezifische Bedingungen erforderlich. Unter nicht-industriellen Kompostierungsbedingungen dauert es Jahre oder Jahrzehnte, bis es sich im Wesentlichen zersetzt. ABS wird aus Erdöl gewonnen und ist nicht biologisch abbaubar.
3D-Druck
PLA und ABS sind sehr unterschiedliche Materialien und auch ihre Druckeigenschaften sind sehr unterschiedlich. Mal sehen, wie man beide Materialien druckt!
Temperatur
Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter, der beim Drucken mit beiden Materialien berücksichtigt werden muss.
heißes Ende
Die Drucktemperatur von ABS beträgt etwa 230–270 °C und ist damit viel höher als die von PLA, während die Drucktemperatur von PLA nur 190–230 °C beträgt. Ähnlich wie bei den meisten Filamenten ist es am besten, sich dem oberen Ende dieses Bereichs zuzuwenden, um bessere maximale Volumenströme und Schichthaftung zu erzielen. Achten Sie jedoch darauf, diesen Bereich nicht zu stark zu überschreiten, da übermäßige Temperaturen zu übermäßigem Fadenziehen, thermischem Kriechen oder schlechtem Fall führen können. Denken Sie wie immer daran, die Empfehlungen des Herstellers zu beachten!
Obwohl Sie PLA problemlos mit einem PTFE-ausgekleideten Hot-End drucken können, empfehlen wir aus Gründen der Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit, beide Materialien mit einem Ganzmetall-Hot-End zu drucken. Mit einem Ganzmetall-Hot-End können Sie mehrere Materialien auf demselben Drucker drucken, ohne dass PTFE-Schläuche regelmäßig ausgetauscht werden müssen.
beheiztes Bett
Höhere Heizbetttemperaturen sind für den Druck von ABS-Teilen von entscheidender Bedeutung. Dies ermöglicht nicht nur eine gute Verbindung der ersten Schicht (um Verformungen zu reduzieren), sondern trägt auch dazu bei, die passiv beheizte Schale vorzuwärmen (worauf wir weiter unten noch näher eingehen werden). Die Temperatur sollte zwischen 90 und 120 °C liegen, erfahrene Benutzer neigen jedoch dazu, die Temperatur auf 110 °C einzustellen, um die Lebensdauer häufig verwendeter magnetischer Bauplattenmagnete zu verlängern.
Der Betttemperaturbereich von PLA liegt zwischen 50 und 60 °C. Es ist sogar möglich, PLA ohne beheiztes Bett oder bei Temperaturen unter 50 °C zu drucken, dies hängt jedoch von weiteren Faktoren wie der Art der Bettoberfläche und der Verwendung eines Klebstoffs ab. Dies kann jedoch zu Verformungen und anderen Problemen führen, daher wird dennoch empfohlen, die Betttemperatur zwischen 50 und 60 °C zu halten.
Hülse
Gehäuse sind für PLA-Teile nicht erforderlich oder empfohlen. Für Anfänger ist dieses bevorzugte Material einfacher zu drucken als ABS. Es haftet gut auf sauberen Bauplatten und verzieht sich bei Betttemperaturen im empfohlenen Bereich von 50–60 °C kaum. PLA verfügt außerdem über eine sehr gute Schichthaftung und weist auch ohne Hülle eine vernachlässigbare Schrumpfung auf. Daher ist keine Einhausung erforderlich.
Wenn Sie jedoch mit einem geschlossenen Drucker drucken möchten, achten Sie darauf, dass die Hohlraumtemperatur 40 °C nicht überschreitet. Da PLA eine sehr niedrige Erweichungstemperatur hat, können höhere Blockierungstemperaturen zu thermischem Kriechen und Druckfehlern führen.
Wenn es um ABS geht, ist das Gehäuse entscheidend für eine starke und einwandfreie ABS-Komponente. Dieses Material ist für seine Neigung zur Verformung und Delaminierung aufgrund von Wärmeschrumpfung bekannt.
Das Gehäuse hält den Druck auf einer warmen Temperatur und reduziert so Wärmegradienten. Dadurch wird verhindert, dass Teile zu schnell abkühlen, was zu Verformungen und Delaminierungsproblemen führt. Außerdem werden Temperaturschwankungen und Luftströme reduziert, die die Druckleistung des Materials und die Festigkeit des gedruckten Teils beeinträchtigen können.
Für hochfeste ABS-Teile eignen sich am besten Hochtemperaturgehäuse oder aktiv beheizte Kammern. Hohe Umgebungstemperaturen ermöglichen eine bessere Verbindung der Schichten und bauen innere Spannungen ab, wodurch die Festigkeit des Teils deutlich erhöht wird. Daher wird empfohlen, die Kammertemperatur auf über 65 °C einzustellen, um hochfeste ABS-Teile zu drucken. Höhere Temperaturen (80–90 °C) wirken sich positiv auf die Festigkeit aus, erfordern aber auch eine stärkere Kühlung.
abkühlen
Bei PLA-Teilen ist eine hohe Kühlung wichtig, um Defekte, Überhitzung sowie gute Brückenbildung und Überhänge zu vermeiden. PLA ermöglicht stabile Teile und eine gute Schichthaftung auch bei relativ hohen Kühleinstellungen. Deshalb solltest du die Kühlung beim PLA-Druck auf eine höhere Stufe einstellen.
Die Kühlung von ABS ist komplexer; sie hängt von der Hohlraumtemperatur beim Drucken ab. Während das Abkühlen die Drapier- und Brückeneigenschaften verbessern kann, kann ein zu starkes oder zu schnelles Abkühlen von ABS zu schlechter Schichthaftung und verstärktem Verziehen und Delaminieren führen. Bei hohen Hohlraumtemperaturen stellt dies jedoch kein Problem dar.
Denken Sie daran: Je wärmer die Raumtemperatur, desto besser ist der Kühleffekt. Wenn Sie einen relativ kühlen geschlossenen Raum mit passiver Heizung haben, sollte die Kühleinstellung ebenfalls im unteren Bereich liegen.
Nachbearbeitung
Im Allgemeinen bietet ABS mehr Nachbearbeitungsmöglichkeiten als PLA. Besonders gut gefällt den Anwendern die Fähigkeit, mit Aceton dampfgeglättet zu werden, wodurch Teile mit sehr glatten, glänzenden Oberflächen entstehen, ähnlich wie bei Spritzguss- oder maschinell bearbeiteten Teilen.
Darüber hinaus können Sie ABS-Teile relativ einfach mit wirksamen Lösungsmitteln wie Aceton oder ABS-Kleberderivaten modifizieren oder verkleben. Dies ist besonders nützlich für große Baugruppen oder Modellierungen.
PLA ist mit Lösungsmitteln schwieriger zu lösen und kann nur mit speziellen Chemikalien glatt gemacht werden. Allerdings lassen sich sowohl ABS als auch PLA problemlos durch Schleifen, Bohren, Gewindeschneiden usw. nachbearbeiten und sind leicht zu lackieren.
