¿Es mejor el filamento ABS que el PLA?

Soy Clive Chen, ingeniero sénior en Rapmaf.

Si diriges un laboratorio de prototipado rápido, gestionas una planta de fabricación aditiva o simplemente compras filamento para tu equipo de ingeniería, te enfrentas al mismo debate sobre polímeros todos los días: ¿Es el filamento ABS mejor que el PLA?

Cuando ingenieros jóvenes o gerentes de compras me preguntan esto, los interrumpo de inmediato. En ingeniería, la palabra "mejor" es peligrosa. Los materiales no son objetivamente mejores; simplemente se diseñan teniendo en cuenta diferentes limitaciones mecánicas y térmicas.

Si imprimes una pieza que irá dentro del compartimento del motor de un coche caliente, un material funcionará a la perfección, mientras que el otro se derretirá en diez minutos. Si imprimes una maqueta arquitectónica en una impresora al aire libre, un material se imprimirá perfectamente, mientras que el otro se deformará tanto que arrancará la base de cristal de la máquina.

¿Qué es exactamente lo que estamos imprimiendo?

Antes de comparar sus datos mecánicos, debemos definir la química base. Ya sea que esté cargando bobinas en una máquina industrial Stratasys de $10,000 o averiguando “¿Qué son ABS y PLA en una impresora 3D?”La química sigue siendo la misma.

• PLA (ácido poliláctico): Se trata de un termoplástico biodegradable derivado de recursos orgánicos renovables como el almidón de maíz o la caña de azúcar. Imprime perfectamente a bajas temperaturas, desprende un ligero olor a jarabe dulce al derretirse y prácticamente no requiere control ambiental para imprimir con éxito.

• ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno): Se trata de un polímero de ingeniería de alta resistencia, derivado del petróleo. Es el mismo plástico que se utiliza para moldear por inyección los bloques de Lego, los embellecedores del salpicadero de los automóviles y las carcasas de las herramientas eléctricas. Requiere altas temperaturas para su extrusión y un estricto control de la temperatura ambiente para evitar deformaciones.

(Nota sobre los bolígrafos 3D: Si va a comprar filamento para un bolígrafo 3D para un aula, especifique siempre PLA. Hablaremos de la toxicidad del ABS más adelante en esta guía, pero bajo ningún concepto querrá inhalar los vapores del ABS que se encuentran directamente sobre un bolígrafo de mano).

PLA vs ABS: ¿Cuál es más resistente?

Si le preguntas a un aficionado “¿PLA vs. ABS, cuál es más fuerte?”, probablemente te dirán ABS. Mecánicamente, están equivocados.

Si tomamos las hojas de datos y miramos los datos puros Resistencia a la tracción (cuánta fuerza se necesita para separar el plástico hasta que se rompa), el PLA es en realidad más resistente y significativamente más rígido que el ABS.

Sin embargo, el PLA es increíblemente frágilTiene un umbral de absorción de energía muy bajo. Si golpeas una pieza de PLA con un martillo, se romperá como el cristal.

¿Por qué usar ABS en lugar de PLA? (El factor de impacto)

Los ingenieros no utilizan ABS porque sea más rígido; lo utilizan porque es más resistente. La fase de caucho "butadieno" en el ABS le confiere una increíble resistencia. Fuerza de impacto y ductilidad.

• ¿Es flexible el filamento de ABS? Si bien no es un filamento verdaderamente flexible (como el TPU o el TPE), el ABS tiene una "elongación a la rotura" mucho mayor que el PLA. Antes de que el ABS falle bajo tensión, cederá, se doblará y se deformará permanentemente. El PLA simplemente se romperá. Si está imprimiendo marcos de drones, pinzas de brazos robóticos o articulaciones funcionales de ajuste a presión que necesitan flexionarse sin romperse, Debes Utilizar ABS en lugar de PLA.

Peso y densidad: ¿Es el ABS más pesado que el PLA?

Al aligerar una pieza para la industria aeroespacial o robótica, la densidad importa. Si imprimes exactamente el mismo cubo de 100 mm con un relleno del 100% en ambos materiales, El PLA es más pesado.

• Densidad del PLA: ~1.24g/cm³
• Densidad del ABS: ~1.04g/cm³

El ABS es aproximadamente un 20 % más ligero que el PLA, lo que lo convierte en la opción superior para aplicaciones donde la carga útil es un factor crítico y cada gramo cuenta.

Resistencia al calor del ABS frente al PLA

En la ciencia de los polímeros, analizamos la Temperatura de transición del vidrio (Tg). Esta es la temperatura a la que un plástico duro y sólido pasa a un estado blando y gomoso. No es necesario derretir para que falle; solo necesita alcanzar su Tg, momento en el que se deformará bajo su propio peso o la tensión de una carga mecánica.

• Temperatura de transición vítrea del PLA: ~60 °C (140 °F).
  • La realidad de la ingeniería: Si Impresión 3D Si fabricas un soporte personalizado para el salpicadero de tu smartphone con PLA y dejas el coche aparcado al sol de verano, la temperatura interior del habitáculo superará fácilmente los 60 °C. Al volver, el soporte de PLA estará deformado permanentemente y goteando sobre el salpicadero. No se recomienda usar PLA en exteriores, en el sector automotriz ni en entornos de altas temperaturas.
• Temperatura de transición vítrea del ABS: ~105 °C (221 °F).
  • La realidad de la ingeniería: El ABS resiste sin problemas el agua hirviendo, las altas temperaturas del interior de los automóviles y las carcasas electrónicas que generan un calor considerable. Este enorme avance en la estabilidad térmica es la razón principal por la que el ABS sigue siendo un estándar industrial, a pesar de ser más difícil de imprimir.

¿El ABS tiene mejor aspecto que el PLA?

Recién salida de la impresora, la impresión PLA suele tener una apariencia más nítida. Dado que el PLA no se deforma ni se contrae tanto como el ABS durante el enfriamiento, reproduce con gran fidelidad detalles increíblemente finos, esquinas definidas y texturas de alta resolución. El ABS, en cambio, tiende a redondear ligeramente los microdetalles nítidos debido a la contracción térmica.

¿Entonces ¿El ABS tiene mejor aspecto que el PLA? No, no salió de la impresora. Pero tras el procesamiento posterior, ABS es muy superior.

La ventaja del alisado con vapor de acetona

Debido a que el PLA es altamente resistente a los disolventes comunes, no es fácil alisar las líneas de capa que deja el proceso de impresión 3D. Para obtener una pieza de PLA perfectamente lisa, hay que dedicar horas a lijarla a mano y aplicar una imprimación de relleno para automóviles.

Sin embargo, el ABS es altamente reactivo a AcetonaLos ingenieros utilizan una técnica llamada "alisado con vapor de acetona". Al colocar una pieza de ABS en un recipiente cerrado con acetona en evaporación durante 15 a 30 minutos, el disolvente derrite ligeramente la capa exterior del plástico.

• El resultado: Las líneas de las capas desaparecen por completo. La pieza de ABS sale con un acabado brillante y perfectamente liso que parece exactamente como si hubiera sido producida en masa en un costoso molde de inyección de acero. Para un funcionamiento prototipos Presentada a las partes interesadas, esta ventaja estética es enorme.

La realidad de la fabricación: ¿Cuáles son las desventajas de imprimir con ABS?

Dada su superior resistencia al calor, tenacidad al impacto y capacidad de postprocesamiento, los ingenieros noveles suelen asumir que el ABS debería sustituir por completo al PLA en la planta de fabricación. Pero cuando intentan imprimir una pieza estructural masiva y de alta densidad con ABS en una impresora 3D barata y abierta, descubren de inmediato su defecto fatal.

La razón principal por la que los diseñadores evitan el ABS se reduce a su coeficiente de contracción térmica.

Cuando Plástico ABS Al enfriarse desde su estado fundido (alrededor de 240 °C) hasta la temperatura ambiente, se contrae significativamente. Si se imprime una pieza grande, las capas superiores se enfrían y contraen más rápido que las inferiores que reposan sobre la plataforma de impresión caliente. Este enfriamiento diferencial genera una enorme tensión de cizallamiento interna en la pieza.

• Deformación: La tensión interna tirará violentamente de las esquinas de la impresión hacia arriba, arrancándola por completo de la base de cristal y arruinando una impresión de 20 horas.
• Delaminación de capas: Si la pieza es alta, la tensión literalmente partirá el plástico horizontalmente a lo largo de las líneas de capa en medio de la impresión.

Para imprimir ABS con éxito para aplicaciones industriales, no puede utilizar una impresora de escritorio básica. Debes Utilice una impresora con una base calefactable de alta temperatura (más de 100 °C) y, sobre todo, una cámara de impresión totalmente cerrada con calefacción activa. La temperatura ambiente dentro de la impresora debe mantenerse entre 60 °C y 80 °C para garantizar que el plástico se enfríe de forma lenta y uniforme.

Salud y seguridad: ¿Es tóxico el filamento ABS?

Existe otra restricción crítica al configurar un Fabricación aditiva laboratorio. Los equipos de adquisiciones señalan constantemente la consulta: “¿Es tóxico el filamento ABS?”

La respuesta de ingeniería requiere observar la “S” de ABS—Estireno.
Al extruir PLA, se funden azúcares de origen vegetal, que desprenden lactidas inocuas. Al calentar ABS a 240 °C, la descomposición térmica libera compuestos orgánicos volátiles (COV) peligrosos, principalmente gas estireno, junto con millones de partículas ultrafinas (PUF) al aire.

La inhalación de vapores de estireno provoca inmediatamente dolores de cabeza, náuseas e irritación respiratoria. La exposición prolongada constituye un grave problema de cumplimiento de la normativa OSHA en entornos de fabricación.

• La regla: No se puede imprimir en ABS en una oficina abierta, un dormitorio o un aula sin ventilación. Las impresoras de ABS deben estar completamente cerradas y equipadas con sistemas de filtración HEPA y de carbón activado de alta resistencia, o idealmente, con la salida de humos directamente al exterior del edificio.

Las mejoras modernas: PETG y ASA

Debido a los graves problemas de deformación y toxicidad que rodean al ABS, los ingenieros de polímeros han desarrollado alternativas avanzadas. filamentos que salvan la brecha entre la facilidad de uso del PLA y la destreza mecánica del ABS.

Filamento ABS frente a PETG

Si observas la consulta de búsqueda PLA vs ABS vs PETG, PETG (Tereftalato de polietileno El glicol se ha convertido esencialmente en el "punto intermedio" del ingeniero moderno.

• La ventaja: El PETG ofrece una resistencia al impacto y una adhesión entre capas que rivalizan (e incluso superan en ocasiones) a las del ABS. Fundamentalmente, su contracción térmica es muy baja, lo que permite imprimirlo en una impresora abierta casi con la misma facilidad que el PLA, sin que se produzcan deformaciones importantes. Además, no emite gas estireno tóxico.
• La desventaja: Su resistencia al calor (temperatura de transición vítrea de alrededor de 80 °C) es mejor que la del PLA, pero aún inferior a la del ABS. No se puede alisar con acetona y es altamente higroscópico (absorbe la humedad del aire y debe secarse antes de imprimir).

Filamento ABS frente a ASA

Esta es la verdadera mejora industrial. El acrilonitrilo estireno acrilato (ASA) se creó para solucionar la principal debilidad medioambiental del ABS: la degradación por rayos UV.
Si se expone una pieza de ABS a la luz solar directa, la radiación UV degrada la fase de caucho de butadieno. En cuestión de meses, el ABS se amarilleará, se volverá extremadamente quebradizo y se agrietará.

• La solución ASA: El ASA sustituye el butadieno por un caucho acrílico. Se imprime igual que el ABS, requiere la misma cámara térmica y posee la misma resistencia al calor y a los impactos. Sin embargo, es prácticamente inmune a la luz ultravioleta. Hoy en día, si imprime accesorios para exteriores o piezas exteriores de automóviles, debe especificar ASA, no ABS.

Caso práctico: Diseño de un soporte para sensores automotrices

Para integrar todos estos elementos en su lista de materiales, veamos un escenario práctico de ingeniería que manejamos en Rapmaf.

El reto: Un cliente del sector automotriz necesita un soporte personalizado, fabricado mediante prototipado rápido, para sujetar un sensor de diagnóstico. El soporte se atornillará al chasis. interior El compartimento del motor de un vehículo prototipo. Experimentará vibraciones del motor y temperaturas ambiente de alrededor de 85 °C (185 °F).

Analicemos las opciones de materiales:

1. PLA: El diseñador junior sugiere PLA porque es fácil de imprimir. Resultado: Fallo catastrófico. El compartimento del motor alcanza los 85 °C. La temperatura de transición vítrea del PLA es de 60 °C. El soporte se ablandará, se deformará y dejará caer el costoso sensor dentro del bloque del motor en los primeros diez minutos de conducción. Además, las vibraciones del motor romperán el PLA quebradizo.
2. PETG: Una sugerencia mejor. Maneja bien las vibraciones. Resultado: Fallo marginal. La temperatura de transición vítrea (Tg) del PETG ronda los 80 °C. Bajo un calor continuo de 85 °C, comenzará a deformarse gradualmente (con el tiempo y bajo carga). Está demasiado cerca del límite térmico.
3. ABS: La elección de ingeniería correcta. Resultado: Éxito. Con una Tg de 105 °C, el ABS resistirá el calor del motor. Su excelente resistencia a los impactos absorberá las vibraciones del motor sin romperse.
4. COMO UN: También es una opción válida, pero innecesaria. Dado que el corchete es interior En el compartimento oscuro del motor, no estará expuesto a la luz solar ultravioleta. Especificar ASA aumentaría innecesariamente el costo del filamento para un beneficio (resistencia a los rayos UV) que nunca se utilizará.

Preguntas Frecuentes

P: ¿Qué es mejor para principiantes, el PLA o el ABS?
A: El PLA es indiscutiblemente mejor para principiantes. No requiere cámara de impresión calefactada, imprime a temperaturas más bajas, no se deforma fácilmente y no emite gases tóxicos. Debes dominar completamente el PLA antes de intentar imprimir con ABS.

P: ¿Es el PLA más barato que el ABS?
R: Históricamente, el ABS era más barato porque es un plástico básico producido en masa para moldeo por inyecciónSin embargo, debido a la explosión de la impresión 3D, la fabricación de PLA ha aumentado drásticamente. Hoy en día, las bobinas estándar de PLA y ABS cuestan aproximadamente lo mismo (entre $15to$25 por kilogramo), lo que hace que el precio no sea un factor determinante en su decisión de ingeniería.

P: ¿Por qué mis impresiones de ABS se agrietan horizontalmente?
A: Esto se conoce como “delaminación” y se produce por contracción térmica. El aire ambiente alrededor de la impresión está demasiado frío. Debes aislar la impresora 3D para retener el calor, asegurando que toda la pieza se mantenga caliente y se enfríe uniformemente solo después de que la impresión haya finalizado por completo.

P: ¿Se puede utilizar ABS en aplicaciones aptas para uso alimentario?
R: No. El ABS estándar no es apto para uso alimentario. Además, la superficie microporosa de las piezas impresas en 3D mediante FDM alberga bacterias que no se pueden eliminar con el lavado. Para el contacto con alimentos, debe utilizar PETG o PP (polipropileno) certificado como apto para uso alimentario y recubrirlo con una resina epoxi apta para uso alimentario.

Referencias y lecturas adicionales

Para verificar las tolerancias mecánicas y térmicas de su próxima producción, consulte estas normas del sector:

1. Seguridad en la impresión 3D según OSHA/NIOSH: Lectura esencial para los responsables de instalaciones sobre los requisitos de ventilación para mitigar la exposición al estireno y a los COV al imprimir con filamento ABS.
   • Enlace: cdc.gov/niosh