Ist ABS-Filament besser als PLA?

Hier spricht Clive Chen, leitender Ingenieur bei Rapmaf.

Wenn Sie ein Labor für Rapid Prototyping betreiben, eine additive Fertigungsanlage leiten oder einfach nur Filament für Ihr Ingenieurteam einkaufen, stehen Sie jeden Tag vor der gleichen Polymerdebatte: Ist ABS-Filament besser als PLA?

Wenn mich junge Ingenieure oder Einkaufsleiter so etwas fragen, unterbreche ich sie sofort. Im Ingenieurwesen ist „besser“ ein gefährliches Wort. Materialien sind nicht objektiv besser; sie werden lediglich unter anderen mechanischen und thermischen Bedingungen entwickelt.

Beim Drucken eines Bauteils für den heißen Motorraum eines Autos verhält sich das eine Material einwandfrei, während das andere innerhalb von zehn Minuten schmilzt. Beim Drucken eines Architekturmodells mit einem Open-Air-Drucker liefert das eine Material perfekte Ergebnisse, während sich das andere so stark verzieht, dass es die Glasplatte des Druckers abreißt.

Was genau drucken wir?

Bevor wir ihre mechanischen Daten vergleichen, müssen wir die chemische Grundzusammensetzung definieren. Egal, ob Sie Spulen in eine 10,000 Dollar teure industrielle Stratasys-Maschine einlegen oder herausfinden, „Was sind ABS und PLA im 3D-Druckverfahren?“Die chemische Zusammensetzung bleibt unverändert.

• PLA (Polymilchsäure): Es handelt sich um einen biologisch abbaubaren thermoplastischen Kunststoff, der aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke oder Zuckerrohr hergestellt wird. Er lässt sich bei niedrigen Temperaturen hervorragend bedrucken, riecht im geschmolzenen Zustand leicht nach süßem Sirup und benötigt für optimale Druckergebnisse nahezu keine Umgebungsbedingungen.

• ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol): Es handelt sich um einen hochfesten, erdölbasierten technischen Kunststoff. Er ist identisch mit dem Kunststoff, der für das Spritzgießen von Legosteinen, Armaturenbrettverkleidungen und Gehäusen für Elektrowerkzeuge verwendet wird. Für die Extrusion sind hohe Temperaturen und eine strenge Temperaturkontrolle erforderlich, um Verformungen zu vermeiden.

(Hinweis zu 3D-Stiften: Wenn Sie Filament für einen 3D-Stift für den Unterricht kaufen, geben Sie immer PLA an. Wir werden die Toxizität von ABS später in diesem Leitfaden behandeln, aber Sie sollten auf keinen Fall ABS-Dämpfe einatmen, die sich direkt über einem Handstift befinden.)

PLA oder ABS – welches ist stabiler?

Wenn Sie einen Hobbyisten fragen „Plastik oder Abs – was ist stärker?“Sie werden Ihnen wahrscheinlich ABS nennen. Mechanisch gesehen sind sie falsch.

Wenn wir die Datenblätter heranziehen und uns die reinen Zugfestigkeit (Wie viel Kraft ist nötig, um den Kunststoff auseinanderzuziehen, bis er bricht?) PLA ist tatsächlich stärker und deutlich steifer als ABS.

PLA ist jedoch unglaublich sprödeEs hat eine sehr niedrige Energieabsorptionsschwelle. Wenn man mit einem Hammer auf ein PLA-Teil schlägt, zerspringt es wie Glas.

Warum sollte man ABS anstelle von PLA verwenden? (Der Impact Factor)

Ingenieure verwenden ABS nicht, weil es steifer ist, sondern weil es zäher ist. Die Butadien-Kautschukphase im ABS verleiht ihm unglaubliche Eigenschaften. Schlagfestigkeit und Duktilität.

• Ist ABS-Filament flexibel? Obwohl ABS kein wirklich flexibles Filament (wie TPU oder TPE) ist, weist es eine deutlich höhere Bruchdehnung als PLA auf. Bevor ABS unter Belastung versagt, gibt es nach, biegt sich und verformt sich dauerhaft. PLA hingegen bricht einfach. Wenn Sie Drohnenrahmen, Roboterarm-Greifer oder funktionelle Schnappverbindungen drucken, die sich biegen müssen, ohne zu brechen, dann ist ABS die richtige Wahl. sollen Verwenden Sie ABS anstelle von PLA.

Gewicht und Dichte: Ist ABS schwerer als PLA?

Bei der Gewichtsreduzierung eines Bauteils für die Luft- und Raumfahrt oder RobotikDie Dichte spielt eine Rolle. Wenn Sie denselben 100-mm-Würfel mit 100 % Füllung in beiden Materialien drucken, PLA ist schwerer.

• PLA-Dichte: ~1.24 g/cm³
• ABS-Dichte: ~1.04 g/cm³

ABS ist etwa 20 % leichter als PLA und ist daher die überlegene Wahl für Anwendungen, bei denen es auf die Nutzlast ankommt und jedes Gramm zählt.

Hitzebeständigkeit von ABS vs. PLA

In der Polymerwissenschaft betrachten wir die Glasübergangstemperatur (Tg)Dies ist die Temperatur, bei der ein harter, fester Kunststoff in einen weichen, gummiartigen Zustand übergeht. Es muss nicht Schmelze Damit es versagt, muss es nur seine Glasübergangstemperatur (Tg) erreichen, an der es sich dann unter seinem eigenen Gewicht oder der Belastung durch eine mechanische Last verzieht.

• Glasübergangstemperatur von PLA: ~60°C (140°F).
  • Die technische Realität: Wenn Sie 3D-Druck Wenn Sie eine maßgefertigte Armaturenbretthalterung für Ihr Smartphone aus PLA verwenden und Ihr Auto im Sommer in der prallen Sonne parken, steigt die Temperatur im Innenraum leicht über 60 °C. Bei Ihrer Rückkehr wird die PLA-Halterung dauerhaft verformt sein und Flüssigkeit auf Ihr Armaturenbrett tropfen. PLA ist daher nicht für den Außenbereich, Fahrzeuge oder Umgebungen mit hohen Temperaturen geeignet.
• Glasübergangstemperatur von ABS: ~105°C (221°F).
  • Die technische Realität: ABS übersteht problemlos kochendes Wasser, heiße Fahrzeuginnenräume und Elektronikgehäuse, die erhebliche Wärme erzeugen. Dieser enorme Fortschritt in der thermischen Stabilität ist der Hauptgrund dafür, dass ABS trotz seiner schwierigeren Bedruckbarkeit weiterhin ein Industriestandard ist.

Sieht ABS besser aus als PLA?

Direkt nach dem Drucken wirkt PLA in der Regel schärfer. Da PLA sich beim Abkühlen weniger verzieht und schrumpft als ABS, gibt es unglaublich feine Details, scharfe Kanten und hochauflösende Texturen hervorragend wieder. ABS neigt dazu, scharfe Mikrodetails aufgrund der thermischen Schrumpfung leicht abzurunden.

Damit Sieht ABS besser aus als PLA? Direkt aus dem Drucker, nein. Nach der Nachbearbeitung ist ABS jedoch deutlich überlegen.

Der Vorteil der Aceton-Dampfglättung

Da PLA gegenüber gängigen Lösungsmitteln sehr beständig ist, lassen sich die beim 3D-Druck entstehenden deutlichen Schichtlinien nicht ohne Weiteres glätten. Um ein perfekt glattes PLA-Teil zu erhalten, muss man es stundenlang von Hand schleifen und mit einer Autofüller-Grundierung versehen.

ABS reagiert jedoch sehr stark auf AcetonIngenieure verwenden eine Technik namens „Aceton-Dampfglättung“. Indem man ein ABS-Teil für 15 bis 30 Minuten in einen geschlossenen Behälter mit verdampfendem Aceton legt, schmilzt das Lösungsmittel die äußere Schicht des Kunststoffs leicht an.

• Das Ergebnis: Die Schichtlinien verschwinden vollständig. Das ABS-Teil weist eine hochglänzende, perfekt glatte Oberfläche auf, die aussieht, als wäre es in einer teuren Stahlspritzgussform in Serie gefertigt worden. Für funktionelle Prototypen Für die Stakeholder ist dieser ästhetische Vorteil enorm.

Die Realität in der Fertigung: Was sind die Nachteile des Druckens mit ABS?

Aufgrund seiner überlegenen Hitzebeständigkeit, Schlagfestigkeit und Nachbearbeitungsmöglichkeiten gehen junge Ingenieure oft davon aus, dass ABS PLA in der Fertigung vollständig ersetzen sollte. Doch wenn sie versuchen, ein massives, hochdichtes Strukturbauteil aus ABS mit einem günstigen, offenen 3D-Drucker zu drucken, entdecken sie sofort dessen entscheidenden Nachteil.

Der Hauptgrund, warum Designer ABS meiden, liegt in seiner thermischer Kontraktionskoeffizient.

Wenn die Funktion ABS-Kunststoff Beim Abkühlen von seinem flüssigen Zustand (ca. 240 °C) auf Raumtemperatur schrumpft das Material stark. Beim Drucken eines großen Bauteils kühlen die oberen Schichten schneller ab und ziehen sich stärker zusammen als die unteren Schichten, die auf der beheizten Bauplatte aufliegen. Diese unterschiedliche Abkühlung erzeugt massive innere Scherspannungen im Bauteil.

• Verzerrung: Die innere Spannung wird die Ecken des Ausdrucks heftig nach oben ziehen, ihn vollständig von der Glasplatte abreißen und einen 20 Stunden alten Ausdruck ruinieren.
• Schichtablösung: Wenn das Teil hoch ist, wird die Spannung den Kunststoff während des Druckvorgangs buchstäblich horizontal entlang der Schichtlinien spalten.

Für den erfolgreichen Druck von ABS für industrielle Anwendungen reicht ein einfacher Desktop-Drucker nicht aus. sollen Verwenden Sie einen Drucker mit einem Hochtemperatur-Heizbett (100 °C+) und, vor allem, einem vollständig geschlossenen, aktiv beheizten Bauraum. Die Umgebungstemperatur im Drucker muss zwischen 60 °C und 80 °C liegen, damit der Kunststoff langsam und gleichmäßig abkühlt.

Gesundheit und Sicherheit: Ist ABS-Filament giftig?

Es gibt noch eine weitere wichtige Einschränkung beim Einrichten eines generative Fertigungs Labor. Die Beschaffungsteams weisen ständig auf diese Anfrage hin: „Ist ABS-Filament giftig?“

Die technische Antwort erfordert einen Blick auf das „S“ in ABS –Styrol.
Beim Extrudieren von PLA werden pflanzliche Zucker geschmolzen, wobei harmlose Lactide freigesetzt werden. Beim Erhitzen von ABS auf 240 °C werden durch die thermische Zersetzung gefährliche flüchtige organische Verbindungen (VOCs), hauptsächlich Styrolgas, sowie Millionen ultrafeiner Partikel (UFP) in die Luft freigesetzt.

Das Einatmen von Styroldämpfen verursacht sofort Kopfschmerzen, Übelkeit und Reizungen der Atemwege. Langfristige Exposition stellt in Produktionsumgebungen ein gravierendes Problem hinsichtlich der Einhaltung der OSHA-Vorschriften dar.

• Die Regel: ABS-Drucker können nicht in Großraumbüros, Schlafzimmern oder schlecht belüfteten Klassenzimmern verwendet werden. Sie müssen vollständig gekapselt und mit leistungsstarken HEPA- und Aktivkohlefiltern ausgestattet sein oder idealerweise direkt nach außen entlüftet werden.

Die modernen Verbesserungen: PETG und ASA

Aufgrund der gravierenden Verformungs- und Toxizitätsprobleme im Zusammenhang mit ABS haben Polymeringenieure fortschrittliche Alternativen entwickelt. Filamente die die Lücke zwischen der einfachen Handhabung von PLA und der mechanischen Leistungsfähigkeit von ABS schließen.

ABS-Filament vs. PETG

Wenn Sie sich die Suchanfrage ansehen PLA gegen ABS gegen PETG, PETG (Polyethylenterephthalat Glykol) ist im Wesentlichen zum „Mittelweg“ des modernen Ingenieurs geworden.

• Der Vorteil: PETG bietet eine Schlagfestigkeit und Schichthaftung, die mit ABS vergleichbar ist (und es manchmal sogar übertrifft). Entscheidend ist seine sehr geringe Wärmeschrumpfung, wodurch es sich fast genauso einfach wie PLA auf einem Open-Air-Drucker verarbeiten lässt, ohne dass es zu starkem Verzug kommt. Außerdem setzt es kein giftiges Styrolgas frei.
• Der Nachteil: Seine Hitzebeständigkeit (Glasübergangstemperatur um 80 °C) ist besser als die von PLA, aber immer noch geringer als die von ABS. Es lässt sich nicht mit Aceton glätten und ist stark hygroskopisch (es zieht Feuchtigkeit aus der Luft an und muss vor dem Drucken getrocknet werden).

ABS-Filament vs. ASA

Dies ist die wahre industrielle Weiterentwicklung. Acrylnitril-Styrol-Acrylat (ASA) wurde entwickelt, um die einzige eklatante Umweltschwäche von ABS zu beheben: die UV-Degradation.
Wenn man ein ABS-Teil im Freien direkter Sonneneinstrahlung aussetzt, zersetzt die UV-Strahlung die Butadienkautschukphase. Innerhalb weniger Monate vergilbt das ABS, wird extrem spröde und reißt.

• Die ASA-Lösung: ASA ersetzt Butadien durch einen Acrylatkautschuk. Es lässt sich genauso drucken wie ABS, benötigt die gleiche beheizte Kammer und weist dieselbe Hitze- und Schlagfestigkeit auf. Allerdings ist es nahezu unempfindlich gegenüber UV-Licht. Wenn Sie heute Außenleuchten oder Karosserieteile für Fahrzeuge drucken, verwenden Sie ASA und nicht ABS.

Fallstudie: Konstruktion einer Halterung für Kfz-Sensoren

Um das alles für Ihre Stückliste zusammenzuführen, schauen wir uns ein praktisches technisches Szenario an, mit dem wir uns bei Rapmaf beschäftigen.

Die Herausforderung: Ein Kunde aus der Automobilbranche benötigt eine individuell angefertigte, im Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellte Halterung für einen Diagnosesensor. Die Halterung wird am Chassis verschraubt. innerhalb Der Motorraum eines Prototypfahrzeugs. Er wird Motorvibrationen und Umgebungstemperaturen von etwa 85 °C (185 °F) ausgesetzt sein.

Lassen Sie uns die Materialoptionen bewerten:

1. PLA: Der Nachwuchsdesigner schlägt PLA vor, weil es leicht zu drucken ist. Ergebnis: Katastrophales Versagen. Der Motorraum erreicht 85 °C. Die Glasübergangstemperatur von PLA liegt bei 60 °C. Die Halterung wird weich, verformt sich und der teure Sensor fällt innerhalb der ersten zehn Fahrminuten in den Motorblock. Außerdem werden die Motorvibrationen die Halterung zerstören. sprödes PLA.
2. PETG: Ein besserer Vorschlag. Er dämpft Vibrationen gut ab. Ergebnis: Marginaler Misserfolg. Die Glasübergangstemperatur (Tg) von PETG liegt bei etwa 80 °C. Bei dauerhafter Erwärmung auf 85 °C beginnt es zu kriechen (sich unter Last langsam zu verformen). Es befindet sich zu nahe an der thermischen Belastungsgrenze.
3. ABS: Die richtige technische Entscheidung. Ergebnis: Erfolg. Mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von 105 °C lässt sich ABS problemlos von der Motorwärme ableiten. Seine hervorragende Schlagfestigkeit absorbiert die Motorschwingungen, ohne dass es zu Beschädigungen kommt.
4. ALS EIN: Auch eine gültige Wahl, aber unnötig. Da die Klammer innerhalb Da der Motorraum dunkel ist, wird er keiner UV-Strahlung ausgesetzt. Die Verwendung von ASA würde die Filamentkosten unnötig erhöhen, da der Vorteil (UV-Beständigkeit) nie genutzt würde.

Häufig gestellte Fragen

F: Ist PLA oder ABS besser für Anfänger?
A: PLA ist eindeutig besser für Anfänger geeignet. Es benötigt keine beheizte Kammer, druckt bei niedrigeren Temperaturen, verzieht sich nicht so leicht und erzeugt keine giftigen Dämpfe. Sie sollten PLA vollständig beherrschen, bevor Sie versuchen, mit ABS zu drucken.

F: Ist PLA günstiger als ABS?
A: Historisch gesehen war ABS billiger, weil es ein massenhaft produzierter Massenkunststoff ist für SpritzgießenAufgrund des rasanten Anstiegs des 3D-Drucks hat die PLA-Produktion jedoch stark zugenommen. Heutzutage kosten Standardspulen von PLA und ABS etwa gleich viel (zwischen … und …). $15to$25 pro Kilogramm), wodurch der Preis bei Ihrer technischen Entscheidung keine Rolle spielt.

F: Warum reißen meine ABS-Drucke immer wieder horizontal?
A: Dies wird als „Delamination“ bezeichnet und durch thermische Kontraktion verursacht. Die Umgebungsluft um Ihren Druck ist zu kalt. Sie müssen Ihren 3D-Drucker einschließen, um die Wärme einzuschließen. Dadurch wird sichergestellt, dass das gesamte Bauteil warm bleibt und erst nach Abschluss des Druckvorgangs gleichmäßig abkühlt.

F: Kann man ABS für lebensmittelsichere Anwendungen verwenden?
A: Nein. Standard-ABS ist nicht lebensmittelecht. Darüber hinaus bietet die mikroporöse Oberfläche von FDM-3D-gedruckten Teilen Bakterien einen idealen Nährboden, die sich nicht abwaschen lassen. Für den Kontakt mit Lebensmitteln müssen Sie zertifiziertes, lebensmittelechtes PETG oder PP (Polypropylen) verwenden und dieses mit einem lebensmittelechten Epoxidharz beschichten.

Referenzen & weiterführende Literatur

Um die mechanischen und thermischen Toleranzen für Ihre nächste Fertigungsserie zu überprüfen, konsultieren Sie diese Industriestandards:

1. OSHA / NIOSH-Sicherheit beim 3D-Druck: Wichtige Lektüre für Facility Manager bezüglich der Belüftungsanforderungen zur Minderung der Styrol- und VOC-Belastung beim Drucken mit ABS-Filament.
   • Link: cdc.gov/niosh