Le filament ABS est-il meilleur que le PLA ?

Ici Clive Chen, ingénieur principal chez Rapmaf.

Que vous dirigiez un laboratoire de prototypage rapide, un atelier de fabrication additive ou que vous achetiez simplement du filament pour votre équipe d'ingénierie, vous êtes confronté quotidiennement au même débat sur les polymères : Le filament ABS est-il meilleur que le PLA ?

Quand de jeunes ingénieurs ou des responsables des achats me posent cette question, je les interromps aussitôt. En ingénierie, le mot « meilleur » est trompeur. Les matériaux ne sont pas objectivement meilleurs ; ils sont simplement conçus en tenant compte de contraintes mécaniques et thermiques différentes.

Si vous imprimez une pièce destinée à être placée dans le compartiment moteur d'une voiture exposée à la chaleur, un matériau se comportera parfaitement, tandis que l'autre fondra en dix minutes. Si vous imprimez une maquette architecturale sur une imprimante 3D à ciel ouvert, un matériau donnera un résultat impeccable, tandis que l'autre se déformera tellement qu'il arrachera le plateau en verre de la machine.

Que sommes-nous en train d'imprimer exactement ?

Avant de comparer leurs données mécaniques, il est indispensable de définir la chimie de base. Que vous chargiez des bobines dans une machine industrielle Stratasys à 10 000 $ ou que vous cherchiez à déterminer… « Que sont l'ABS et le PLA dans un stylo 3D ? », la chimie reste la même.

• PLA (acide polylactique) : Ce thermoplastique biodégradable est issu de ressources organiques renouvelables comme l'amidon de maïs ou la canne à sucre. Il s'imprime parfaitement à basse température, dégage une légère odeur de sirop sucré à la fonte et ne nécessite quasiment aucun contrôle environnemental pour une impression réussie.

• ABS (Acrylonitrile Butadiène Styrène) : Il s'agit d'un polymère technique très résistant, dérivé du pétrole. C'est le même plastique que celui utilisé pour le moulage par injection des briques Lego, des garnitures de tableau de bord automobile et des boîtiers d'outils électriques. Son extrusion nécessite une température élevée et un contrôle strict de la température ambiante afin d'éviter toute déformation.

(Remarque concernant les stylos 3D : si vous achetez du filament pour un stylo 3D destiné à une salle de classe, spécifiez toujours du PLA. Nous aborderons la toxicité de l’ABS plus loin dans ce guide, mais il est absolument impératif de ne pas inhaler les vapeurs d’ABS à proximité d’un stylo 3D tenu à la main.)

PLA ou ABS : lequel est le plus résistant ?

Si vous demandez à un amateur « PLA vs abdos : lequel est le plus fort ? », ils vous diront probablement ABS. Mécaniquement parlant, ils ont tort.

Si nous consultons les fiches techniques et examinons les valeurs pures Résistance à la traction (la force nécessaire pour séparer le plastique jusqu'à ce qu'il se casse), le PLA est en fait plus résistant et nettement plus rigide que l'ABS.

Cependant, le PLA est incroyablement fragileSon seuil d'absorption d'énergie est très bas. Si vous frappez une pièce en PLA avec un marteau, elle se brisera comme du verre.

Pourquoi choisir l'ABS plutôt que le PLA ? (Le facteur d'impact)

Les ingénieurs n'utilisent pas l'ABS parce qu'il est plus rigide, mais parce qu'il est plus résistant. La phase de caoutchouc butadiène présente dans l'ABS lui confère des propriétés exceptionnelles. La résistance aux chocs et la ductilité.

• Le filament ABS est-il flexible ? Bien qu'il ne s'agisse pas d'un véritable filament flexible (comme le TPU ou le TPE), l'ABS possède un allongement à la rupture bien supérieur à celui du PLA. Avant de céder sous la contrainte, l'ABS se déformera par fléchissement, flexion et déformation permanente. Le PLA, quant à lui, cassera net. Si vous imprimez des châssis de drones, des pinces pour bras robotiques ou des articulations fonctionnelles à enclenchement rapide qui doivent pouvoir fléchir sans se rompre, vous… doit Utilisez de l'ABS plutôt que du PLA.

Poids et densité : l’ABS est-il plus lourd que le PLA ?

Lors de l'allègement d'une pièce pour l'aérospatiale ou robotiqueLa densité est importante. Si vous imprimez exactement le même cube de 100 mm avec un remplissage à 100 % dans les deux matériaux, Le PLA est plus lourd.

• Densité du PLA : ~1.24 g/cm³
• Densité de l'ABS : ~1.04 g/cm³

L'ABS est environ 20 % plus léger que le PLA, ce qui en fait le choix idéal pour les applications sensibles à la charge utile où chaque gramme compte.

ABS vs PLA Résistance à la chaleur

En science des polymères, nous étudions les Température de transition vitreuse (Tg)Il s'agit de la température à laquelle un plastique dur et solide passe à un état mou et caoutchouteux. Il n'est pas nécessaire que Melt Pour qu'il cède, il suffit qu'il atteigne sa température de transition vitreuse (Tg), auquel cas il se déformera sous son propre poids ou sous la contrainte d'une charge mécanique.

• Température de transition vitreuse du PLA : ~60 °C (140 °F).
  • La réalité de l'ingénierie : Si vous Impression 3D Si vous utilisez un support de tableau de bord personnalisé en PLA pour votre smartphone et que vous laissez votre voiture garée en plein soleil, la température intérieure de l'habitacle dépassera facilement les 60 °C. À votre retour, votre support en PLA sera déformé de façon permanente et du liquide coulera sur votre tableau de bord. Le PLA n'est pas adapté à une utilisation en extérieur, dans l'automobile ou dans des environnements à forte chaleur.
• Température de transition vitreuse de l'ABS : ~105 °C (221 °F).
  • La réalité de l'ingénierie : L'ABS résiste sans problème à l'eau bouillante, à la chaleur des habitacles automobiles et aux boîtiers électroniques générant une chaleur importante. Cette stabilité thermique exceptionnelle explique principalement pourquoi l'ABS reste une norme industrielle malgré sa difficulté d'impression.

L'ABS est-il plus esthétique que le PLA ?

Dès sa sortie de l'imprimante, le PLA présente généralement un rendu plus net. Comme il se déforme et se rétracte moins que l'ABS lors du refroidissement, il reproduit avec une grande précision les détails les plus fins, les angles vifs et les textures haute résolution. L'ABS, quant à lui, a tendance à légèrement arrondir les micro-détails en raison du retrait thermique.

Alors, L'ABS est-il plus esthétique que le PLA ? À la sortie de l'imprimante, non. Mais après post-traitement, l'ABS est largement supérieur.

L'avantage du lissage à la vapeur d'acétone

Le PLA étant très résistant aux solvants courants, il est difficile d'atténuer les lignes de couches laissées par l'impression 3D. Pour obtenir une pièce en PLA parfaitement lisse, il faut consacrer plusieurs heures à la poncer à la main et à appliquer un apprêt de remplissage automobile.

L'ABS, cependant, est très réactif à AcétoneLes ingénieurs utilisent une technique appelée « lissage à la vapeur d'acétone ». En plaçant une pièce en ABS dans un récipient fermé contenant de l'acétone en évaporation pendant 15 à 30 minutes, le solvant fait légèrement fondre la couche extérieure du plastique.

• Le résultat: Les lignes de superposition disparaissent complètement. La pièce en ABS présente une finition brillante et parfaitement lisse, donnant l'impression d'avoir été produite en série dans un moule d'injection en acier haut de gamme. Pour une utilisation fonctionnelle prototypes Présenté aux parties prenantes, cet avantage esthétique est considérable.

La réalité de la fabrication : quels sont les inconvénients de l’impression avec de l’ABS ?

Grâce à sa résistance supérieure à la chaleur, sa robustesse aux chocs et ses possibilités de post-traitement, les jeunes ingénieurs pensent souvent que l'ABS devrait complètement remplacer le PLA en production. Mais lorsqu'ils tentent d'imprimer une pièce structurelle massive et haute densité en ABS sur une imprimante 3D bon marché à ciel ouvert, ils découvrent immédiatement son défaut majeur.

La principale raison pour laquelle les concepteurs évitent l'ABS tient à son coefficient de contraction thermique.

Lorsque vous Plastique ABS Lorsqu'il refroidit de son état fondu (environ 240 °C) jusqu'à la température ambiante, il se rétracte considérablement. Lors de l'impression d'une pièce de grande taille, les couches supérieures refroidissent et se contractent plus rapidement que les couches inférieures reposant sur le plateau chauffant. Ce refroidissement différentiel engendre d'importantes contraintes de cisaillement internes au sein de la pièce.

• Gauchissement: La tension interne va violemment tirer les coins de l'impression vers le haut, l'arrachant complètement du plateau en verre et ruinant une impression de 20 heures.
• Délaminage des couches : Si la pièce est haute, la contrainte va littéralement fendre le plastique horizontalement le long des lignes de couches en plein milieu de l'impression.

Pour imprimer avec succès de l'ABS destiné à des applications industrielles, vous ne pouvez pas utiliser une imprimante de bureau basique. doit Utilisez une imprimante dotée d'un plateau chauffant haute température (100 °C et plus) et, surtout, d'une enceinte d'impression entièrement fermée et chauffée. La température ambiante à l'intérieur de l'imprimante doit être maintenue entre 60 °C et 80 °C afin de garantir un refroidissement lent et uniforme du plastique.

Santé et sécurité : Le filament ABS est-il toxique ?

Il existe une autre contrainte critique lors de la mise en place d'un Fabrication Additive Les équipes d'approvisionnement du laboratoire signalent constamment cette question : « Le filament ABS est-il toxique ? »

La réponse technique nécessite d'examiner le « S » dans ABS —Styrène.
L'extrusion du PLA consiste à faire fondre des sucres d'origine végétale, ce qui libère des lactides inoffensifs. En revanche, le chauffage de l'ABS à 240 °C provoque sa décomposition thermique, libérant ainsi des composés organiques volatils (COV) dangereux, principalement du styrène, ainsi que des millions de particules ultrafines (PUF) dans l'air.

L'inhalation de vapeurs de styrène provoque immédiatement des maux de tête, des nausées et une irritation des voies respiratoires. Une exposition prolongée constitue un grave problème de conformité aux normes de l'OSHA en milieu industriel.

• La règle: Il est impossible d'imprimer de l'ABS dans un bureau ouvert, une chambre ou une salle de classe non ventilée. Les imprimantes ABS doivent être entièrement fermées et équipées de systèmes de filtration HEPA et à charbon actif haute performance, ou idéalement, être raccordées directement à l'extérieur du bâtiment.

Améliorations modernes : PETG et ASA

En raison des graves problèmes de déformation et de toxicité liés à l'ABS, les ingénieurs en polymères ont développé des alternatives avancées. filaments qui comblent le fossé entre la facilité d'utilisation du PLA et les performances mécaniques de l'ABS.

Filament ABS vs PETG

Si vous examinez la requête de recherche PLA contre ABS contre PETG, PETG (Polyéthylène téréphtalate Le glycol est devenu en quelque sorte le « juste milieu » de l'ingénieur moderne.

• L'avantage: Le PETG offre une résistance aux chocs et une adhérence intercouches comparables (voire supérieures) à celles de l'ABS. Surtout, son retrait thermique est très faible, ce qui permet de l'imprimer sur une imprimante à flux ouvert presque aussi facilement que le PLA sans risque de déformation importante. De plus, il n'émet pas de styrène, un gaz toxique.
• Le désavantage: Sa résistance à la chaleur (température de transition vitreuse d'environ 80 °C) est supérieure à celle du PLA, mais reste inférieure à celle de l'ABS. Il ne peut être lissé à l'acétone et est très hygroscopique (il absorbe l'humidité de l'air et doit être séché avant impression).

Filament ABS vs ASA

Il s'agit là d'une véritable avancée industrielle. L'acrylonitrile styrène acrylate (ASA) a été créé pour remédier au principal défaut environnemental de l'ABS : sa dégradation par les UV.
Si vous exposez une pièce en ABS à la lumière directe du soleil, les rayons UV dégradent la phase de caoutchouc butadiène. En quelques mois, l'ABS jaunira, deviendra extrêmement cassant et se fissurera.

• La solution ASA : L'ASA remplace le butadiène par un caoutchouc acrylate. Son impression est identique à celle de l'ABS, il nécessite la même enceinte chauffée et offre la même résistance à la chaleur et aux chocs. En revanche, il est pratiquement insensible aux UV. Aujourd'hui, pour l'impression d'éléments extérieurs ou de pièces automobiles, on privilégie l'ASA à l'ABS.

Étude de cas : Conception d’un support de capteur automobile

Pour résumer tout cela dans votre nomenclature, prenons l'exemple d'un scénario d'ingénierie pratique que nous traitons chez Rapmaf.

Le projet : Un client du secteur automobile a besoin d'un support sur mesure, réalisé par prototypage rapide, pour fixer un capteur de diagnostic. Ce support sera boulonné au châssis. à l'intérieur le compartiment moteur d'un véhicule prototype. Il sera soumis aux vibrations du moteur et à des températures ambiantes d'environ 85 °C (185 °F).

Évaluons les options de matériaux :

1. APL : Le jeune designer suggère le PLA car il est facile à imprimer. Résultat : Échec catastrophique. Le compartiment moteur atteint 85 °C. La température de transition vitreuse du PLA est de 60 °C. Le support va se ramollir, se déformer et faire tomber le capteur coûteux dans le bloc moteur dès les dix premières minutes de conduite. De plus, les vibrations du moteur vont briser le support. PLA cassant.
2. PETG : Une meilleure suggestion. Il absorbe bien les vibrations. Résultat : Échec marginal. La température de transition vitreuse (Tg) du PETG est d'environ 80 °C. Sous une chaleur continue de 85 °C, il commencera à se déformer lentement sous charge (fluage). On est alors trop près de la limite thermique.
3. ABS: Le bon choix en matière d'ingénierie. Résultat : Succès. Avec une température de transition vitreuse (Tg) de 105 °C, l'ABS résiste à la chaleur du moteur. Son excellente résistance aux chocs absorbe les vibrations du moteur sans se rompre.
4. COMME UN: C'est également un choix valable, mais inutile. Étant donné que le crochet est à l'intérieur Dans le compartiment moteur sombre, le filament ne sera pas exposé aux rayons UV du soleil. Spécifier une résistance ASA augmenterait inutilement son coût pour un avantage (résistance aux UV) qui ne sera jamais utilisé.

FAQ

Q : Le PLA ou l'ABS est-il meilleur pour les débutants ?
A: Le PLA est incontestablement meilleur pour les débutants. Il ne nécessite pas d'enceinte chauffée, s'imprime à des températures plus basses, ne se déforme pas facilement et n'émet aucune fumée toxique. Il est indispensable de maîtriser parfaitement le PLA avant de tenter d'imprimer en ABS.

Q : Le PLA est-il moins cher que l'ABS ?
A : Historiquement, l'ABS était moins cher car c'est un plastique de base produit en masse. moulage par injectionCependant, avec l'essor de l'impression 3D, la production de PLA a connu une croissance exponentielle. Aujourd'hui, les bobines standard de PLA et d'ABS coûtent à peu près le même prix (entre…). $15to$25 par kilogramme), ce qui fait du prix un facteur non déterminant dans votre décision d'ingénierie.

Q : Pourquoi mes impressions ABS se fissurent-elles constamment horizontalement ?
R : Ce phénomène, appelé « délamination », est dû à la contraction thermique. L'air ambiant autour de votre impression est trop froid. Vous devez donc placer votre imprimante 3D dans un récipient fermé afin de conserver la chaleur et de maintenir la pièce à température. Celle-ci ne refroidira uniformément qu'une fois l'impression terminée.

Q : Peut-on utiliser l'ABS pour des applications alimentaires ?
R : Non. L'ABS standard n'est pas apte au contact alimentaire. De plus, la surface microporeuse des pièces imprimées en 3D par FDM abrite des bactéries impossibles à éliminer par lavage. Pour le contact alimentaire, il est impératif d'utiliser du PETG ou du PP (polypropylène) certifié apte au contact alimentaire et de le recouvrir d'une résine époxy de qualité alimentaire.

Références et lectures complémentaires

Pour vérifier les tolérances mécaniques et thermiques de votre prochaine production, consultez ces normes industrielles :

1. Sécurité de l'impression 3D selon OSHA/NIOSH : Lecture essentielle pour les gestionnaires d'installations concernant les exigences de ventilation pour atténuer l'exposition au styrène et aux COV lors de l'impression avec du filament ABS.
   • Lien : cdc.gov/niosh