O filamento ABS é melhor que o PLA?

Aqui é o Clive Chen, Engenheiro Sênior da Rapmaf.

Se você administra um laboratório de prototipagem rápida, gerencia uma linha de produção de manufatura aditiva ou simplesmente compra filamentos para sua equipe de engenharia, você se depara com o mesmo debate sobre polímeros todos os dias: O filamento ABS é melhor que o PLA?

Quando engenheiros juniores ou gerentes de compras me perguntam isso, eu os interrompo imediatamente. Em engenharia, "melhor" é uma palavra perigosa. Os materiais não são objetivamente melhores; eles são simplesmente projetados com diferentes restrições mecânicas e térmicas.

Se você estiver imprimindo uma peça que ficará dentro do compartimento do motor de um carro quente, um material terá um desempenho impecável, enquanto o outro derreterá em dez minutos. Se você estiver imprimindo uma maquete arquitetônica em uma impressora aberta, um material será impresso perfeitamente, enquanto o outro se deformará tão violentamente que arrancará a mesa de vidro da máquina.

O que exatamente estamos imprimindo?

Antes de compararmos seus dados mecânicos, precisamos definir a química básica. Seja você carregando bobinas em uma máquina industrial Stratasys de US$ 10,000 ou descobrindo “O que são ABS e PLA em uma caneta 3D?”A química permanece a mesma.

• PLA (ácido polilático): Este é um termoplástico biodegradável derivado de recursos orgânicos renováveis, como amido de milho ou cana-de-açúcar. Ele imprime perfeitamente em baixas temperaturas, tem um leve cheiro de xarope doce quando derretido e praticamente não requer controle ambiental para uma impressão bem-sucedida.

• ABS (Acrilonitrila Butadieno Estireno): Este é um polímero de engenharia robusto, derivado do petróleo. É exatamente o mesmo plástico usado para moldar por injeção peças de Lego, acabamentos de painéis de automóveis e carcaças de ferramentas elétricas. Requer altas temperaturas para extrusão e um rigoroso controle da temperatura ambiente para evitar deformações.

(Nota sobre canetas 3D: Se você estiver comprando filamento para uma caneta 3D para uso em sala de aula, especifique sempre PLA. Abordaremos a toxicidade do ABS mais adiante neste guia, mas você definitivamente não deve inalar os vapores de ABS ao ficar perto de uma caneta 3D).

PLA ou ABS: qual é mais resistente?

Se você perguntar a um amador “Qual deles é mais forte: o supino ou o abdômen?”Eles provavelmente vão te dizer que é ABS. Mecanicamente, estão errados.

Se consultarmos as fichas técnicas e analisarmos o produto puro Resistência à Tração (quanta força é necessária para separar o plástico até que ele se quebre), o PLA é na verdade mais forte e significativamente mais rígido do que o ABS.

No entanto, o PLA é incrivelmente quebradiçoPossui um limiar de absorção de energia muito baixo. Se você bater em uma peça de PLA com um martelo, ela se estilhaçará como vidro.

Por que usar ABS em vez de PLA? (O fator de impacto)

Os engenheiros não usam ABS por ser mais rígido; usam-no por ser mais resistente. A fase de borracha "butadieno" no ABS confere-lhe uma resistência incrível. Força de impacto e ductilidade.

• O filamento ABS é flexível? Embora não seja um filamento verdadeiramente flexível (como TPU ou TPE), o ABS tem um "alongamento na ruptura" muito maior do que o PLA. Antes de falhar sob tensão, o ABS cede, dobra e se deforma permanentemente. O PLA simplesmente quebra. Se você estiver imprimindo estruturas de drones, garras para braços robóticos ou juntas funcionais de encaixe que precisam flexionar sem quebrar, você devo Use ABS em vez de PLA.

Peso e densidade: o ABS é mais pesado que o PLA?

Ao reduzir o peso de uma peça para o setor aeroespacial ou robóticaA densidade importa. Se você imprimir exatamente o mesmo cubo de 100 mm com 100% de preenchimento em ambos os materiais, O PLA é mais pesado.

• Densidade do PLA: ~1.24g/cm³
• Densidade do ABS: ~1.04g/cm³

O ABS é aproximadamente 20% mais leve que o PLA, tornando-se a escolha ideal para aplicações onde a carga útil é crucial e cada grama conta.

ABS vs PLA: Resistência ao calor

Na ciência dos polímeros, analisamos o Temperatura de transição de vidro (Tg)Esta é a temperatura na qual um plástico rígido e sólido se transforma em um estado macio e emborrachado. Não precisa ser fundição Para falhar, basta atingir sua Tg, ponto em que se deformará sob seu próprio peso ou sob a tensão de uma carga mecânica.

• Temperatura de transição vítrea do PLA: ~60°C (140°F).
  • A realidade da engenharia: Se você Impressão 3D Se você instalar um suporte personalizado para smartphone feito de PLA no painel do seu carro e deixá-lo estacionado sob o sol forte do verão, a temperatura interna da cabine facilmente ultrapassará os 60 °C. Ao retornar, o suporte de PLA estará permanentemente deformado e escorrendo pelo painel. O PLA não deve ser usado em ambientes externos, automotivos ou com altas temperaturas.
• Temperatura de transição vítrea do ABS: ~105°C (221°F).
  • A realidade da engenharia: O ABS suporta confortavelmente água fervente, interiores automotivos quentes e gabinetes eletrônicos que geram calor significativo. Esse enorme salto em estabilidade térmica é o principal motivo pelo qual o ABS continua sendo um padrão industrial, apesar de ser mais difícil de imprimir.

O ABS tem uma aparência melhor do que o PLA?

Logo após a impressão, o PLA geralmente apresenta uma aparência mais nítida. Como o PLA não deforma e encolhe tanto quanto o ABS durante o resfriamento, ele reproduz detalhes incrivelmente finos, cantos precisos e texturas de alta resolução com perfeição. O ABS tende a arredondar ligeiramente os microdetalhes devido à contração térmica.

então, O ABS tem uma aparência melhor do que o PLA? Não saiu da impressora. Mas, após o pós-processamento, o ABS é muito superior.

A vantagem do suavizante do vapor de acetona

Como o PLA é altamente resistente a solventes comuns, não é fácil suavizar as linhas de camada visíveis deixadas pelo processo de impressão 3D. Para obter uma peça de PLA perfeitamente lisa, é preciso passar horas lixando-a manualmente e aplicando um primer de enchimento automotivo.

O ABS, no entanto, é altamente reativo a AcetonaOs engenheiros utilizam uma técnica chamada "alisamento com vapor de acetona". Ao colocar uma peça de ABS em um recipiente fechado com acetona evaporando por 15 a 30 minutos, o solvente derrete ligeiramente a camada externa do plástico.

• O resultado: As linhas de camada desaparecem completamente. A peça em ABS apresenta um acabamento brilhante e perfeitamente liso, com a mesma aparência de ter sido produzida em massa em um molde de injeção de aço de alto custo. Para fins funcionais. protótipos Ao ser apresentada às partes interessadas, essa vantagem estética é enorme.

A realidade da fabricação: quais são as desvantagens da impressão com ABS?

Devido à sua resistência superior ao calor, à sua tenacidade ao impacto e às suas capacidades de pós-processamento, os engenheiros juniores muitas vezes presumem que o ABS deveria substituir completamente o PLA na linha de produção. Mas quando tentam imprimir uma peça estrutural maciça e de alta densidade em ABS numa impressora 3D barata e de uso geral, descobrem imediatamente a sua falha fatal.

O principal motivo pelo qual os projetistas evitam o ABS reside em sua... coeficiente de contração térmica.

Ao ABS plástico Ao resfriar de seu estado fundido (cerca de 240 °C) até a temperatura ambiente, o material encolhe significativamente. Se você estiver imprimindo uma peça grande, as camadas superiores resfriam e contraem mais rapidamente do que as camadas inferiores que estão em contato com a plataforma de impressão aquecida. Esse resfriamento diferencial cria uma enorme tensão de cisalhamento interna na peça.

• Empenamento: A tensão interna puxará violentamente os cantos da impressão para cima, arrancando-a completamente da base de vidro e arruinando uma impressão de 20 horas.
• Delaminação de camadas: Se a peça for alta, a tensão literalmente dividirá o plástico horizontalmente ao longo das linhas de camada durante a impressão.

Para imprimir ABS com sucesso para aplicações industriais, você não pode usar uma impressora de mesa básica. devo Utilize uma impressora com mesa aquecida de alta temperatura (acima de 100 °C) e, principalmente, uma câmara de impressão totalmente fechada e com aquecimento ativo. A temperatura ambiente dentro da impressora deve ser mantida entre 60 °C e 80 °C para garantir que o plástico esfrie de forma lenta e uniforme.

Saúde e segurança: o filamento ABS é tóxico?

Existe outra restrição crítica ao configurar um De produção de aditivos As equipes de compras do laboratório constantemente sinalizam a seguinte questão: “O filamento ABS é tóxico?”

A resposta de engenharia exige que se examine o “S” em ABS—Estireno.
Ao extrudar PLA, você está derretendo açúcares de origem vegetal, que liberam lactídeos inofensivos. Quando você aquece o ABS a 240 °C, a decomposição térmica libera compostos orgânicos voláteis (COVs) perigosos, principalmente gás estireno, juntamente com milhões de partículas ultrafinas (PUFs) no ar.

A inalação de vapores de estireno causa dores de cabeça, náuseas e irritação respiratória imediatas. A exposição prolongada representa um grave problema de conformidade com as normas da OSHA (Administração de Segurança e Saúde Ocupacional) em ambientes de produção.

• A regra: Não é possível imprimir em ABS em um escritório aberto, um quarto ou uma sala de aula sem ventilação. As impressoras de ABS devem ser totalmente fechadas e equipadas com sistemas de filtragem HEPA e de carvão ativado de alta capacidade ou, idealmente, com exaustão direta para o exterior do edifício.

As atualizações modernas: PETG e ASA

Devido aos graves problemas de deformação e toxicidade associados ao ABS, os engenheiros de polímeros desenvolveram alternativas avançadas. filamentos que preenchem a lacuna entre a facilidade de uso do PLA e a robustez mecânica do ABS.

Filamento ABS vs PETG

Se você observar a consulta de pesquisa PLA vs ABS vs PETG, PETG (Tereftalato de polietileno O glicol tornou-se essencialmente o "meio-termo" do engenheiro moderno.

• A vantagem: O PETG oferece resistência a impactos e adesão entre camadas que rivalizam (e às vezes superam) o ABS. Fundamentalmente, sua contração térmica é muito baixa, o que significa que você pode imprimi-lo em uma impressora aberta quase tão facilmente quanto o PLA, sem deformações significativas. Além disso, ele não emite gás estireno tóxico.
• A desvantagem: Sua resistência ao calor (temperatura de transição vítrea em torno de 80°C) é melhor que a do PLA, mas ainda inferior à do ABS. Não pode ser alisado com acetona e é altamente higroscópico (absorve umidade do ar e precisa ser seco antes da impressão).

Filamento ABS vs. ASA

Esta é a verdadeira modernização industrial. O acrilonitrilo estireno acrilato (ASA) foi criado para corrigir a principal desvantagem ambiental do ABS: a degradação por raios UV.
Se você deixar uma peça de ABS exposta à luz solar direta, a radiação UV degrada a fase de borracha butadieno. Em poucos meses, o ABS ficará amarelado, extremamente quebradiço e rachará.

• A solução da ASA: O ASA substitui o butadieno por uma borracha acrílica. Ele imprime exatamente como o ABS, requer a mesma câmara aquecida e possui a mesma resistência ao calor e ao impacto. Mas é praticamente imune à luz UV. Hoje em dia, se você estiver imprimindo luminárias externas ou peças externas de automóveis, você especifica ASA, não ABS.

Estudo de caso: Projetando um suporte para sensor automotivo

Para consolidar tudo isso na sua lista de materiais, vamos analisar um cenário prático de engenharia que abordamos na Rapmaf.

O desafio: Um cliente do setor automotivo precisa de um suporte personalizado, produzido por prototipagem rápida, para fixar um sensor de diagnóstico. O suporte será parafusado ao chassi. dentro O compartimento do motor de um veículo protótipo. Ele estará sujeito a vibrações do motor e temperaturas ambientes em torno de 85°C (185°F).

Vamos avaliar as opções de materiais:

1. PLA: O designer júnior sugere PLA porque é fácil de imprimir. Resultado: Falha catastrófica. O compartimento do motor atinge 85°C. A temperatura de transição vítrea do PLA é de 60°C. O suporte amolecerá, deformará e fará com que o caro sensor caia dentro do bloco do motor nos primeiros dez minutos de condução. Além disso, as vibrações do motor quebrarão o sensor. PLA quebradiço.
2. PETG: Uma sugestão melhor. Ela lida bem com as vibrações. Resultado: Falha marginal. A temperatura de transição vítrea (Tg) do PETG é de aproximadamente 80°C. Sob aquecimento contínuo a 85°C, ele começará a sofrer fluência (deformar-se lentamente ao longo do tempo sob carga). Isso ocorre muito próximo do limite térmico.
3. ABS: A escolha de engenharia correta. Resultado: Sucesso. Com uma temperatura de transição vítrea (Tg) de 105°C, o ABS dissipará o calor do motor. Sua excelente resistência a impactos absorverá as vibrações do motor sem se romper.
4. COMO UM: Também é uma opção válida, mas desnecessária. Já que o colchete é dentro No compartimento do motor escuro, o filamento não ficará exposto à luz solar ultravioleta. Especificar o ASA aumentaria desnecessariamente o custo do filamento para um benefício (resistência aos raios UV) que nunca será utilizado.

Perguntas Frequentes

P: Para iniciantes, PLA ou ABS?
A: O PLA é inequivocamente melhor para iniciantes. Não requer câmara de aquecimento, imprime a temperaturas mais baixas, não deforma facilmente e não emite gases tóxicos. Você deve dominar completamente o PLA antes de tentar imprimir com ABS.

P: O PLA é mais barato que o ABS?
A: Historicamente, o ABS era mais barato porque é um plástico produzido em massa para diversos fins. moldagem por injeçãoNo entanto, devido à explosão da impressão 3D, a fabricação de PLA cresceu exponencialmente. Hoje, bobinas padrão de PLA e ABS custam praticamente o mesmo (entre US$ 100 e US$ 200). $15to$25 por quilograma), tornando o preço irrelevante em sua decisão de engenharia.

P: Por que minhas impressões em ABS continuam rachando na horizontal?
A: Isso é conhecido como "delaminação" e é causado pela contração térmica. O ar ambiente ao redor da sua peça impressa está muito frio. Você precisa fechar a impressora 3D para reter o calor, garantindo que toda a peça permaneça aquecida e esfrie uniformemente somente após a conclusão total da impressão.

P: É possível usar ABS em aplicações que garantam a segurança alimentar?
R: Não. O ABS padrão não é seguro para contato com alimentos. Além disso, a superfície microporosa das peças impressas em 3D por FDM abriga bactérias que não podem ser removidas com lavagem. Para contato com alimentos, é necessário usar PETG ou PP (polipropileno) com certificação de segurança alimentar e revesti-los com uma resina epóxi própria para contato com alimentos.

Referências e leituras adicionais

Para verificar as tolerâncias mecânicas e térmicas para sua próxima produção, consulte estas normas do setor:

1. Segurança da impressão 3D de acordo com as normas da OSHA/NIOSH: Leitura essencial para gestores de instalações sobre os requisitos de ventilação para mitigar a exposição ao estireno e a compostos orgânicos voláteis (VOCs) durante a impressão com filamento ABS.
   • link: cdc.gov/niosh