ABS-пластик лучше, чем PLA?

Привет, меня зовут Клайв Чен, я старший инженер в компании Rapmaf.

Если вы руководите лабораторией быстрого прототипирования, управляете цехом аддитивного производства или просто закупаете филамент для своей инженерной команды, вы каждый день сталкиваетесь с одним и тем же вопросом о полимерах: Лучше ли ABS-нить, чем PLA?

Когда младшие инженеры или менеджеры по закупкам задают мне этот вопрос, я тут же их останавливаю. В инженерии слово «лучше» — опасное. Материалы не бывают объективно лучше; они просто спроектированы с учетом различных механических и термических ограничений.

Если вы печатаете приспособление, которое будет находиться в горячем моторном отсеке автомобиля, один материал покажет себя безупречно, а другой расплавится в лужу через десять минут. Если вы печатаете архитектурную модель на принтере открытого типа, один материал напечатается идеально, а другой деформируется настолько сильно, что оторвет стеклянную платформу от машины.

Что именно мы печатаем?

Прежде чем сравнивать их механические характеристики, необходимо определить базовый химический состав. Независимо от того, загружаете ли вы катушки в промышленный станок Stratasys стоимостью 10 000 долларов или разбираетесь в... «Что такое ABS и PLA в 3D Pen?»При этом химический состав остается тем же.

• PLA (полимолочная кислота): Это биоразлагаемый термопластик, получаемый из возобновляемых органических ресурсов, таких как кукурузный крахмал или сахарный тростник. Он прекрасно печатается при низких температурах, имеет слабый запах сладкого сиропа в расплавленном виде и практически не требует контроля окружающей среды для успешной печати.

• ABS (акрилонитрилбутадиенстирол): Это прочный конструкционный полимер на нефтяной основе. Это тот же самый пластик, который используется для литья под давлением деталей конструктора Lego, отделки приборных панелей автомобилей и корпусов электроинструментов. Для его экструзии требуются высокие температуры и строгий контроль температуры окружающей среды, чтобы предотвратить деформацию.

(Примечание о 3D-ручках: Если вы покупаете филамент для 3D-ручки для использования в классе, всегда указывайте PLA. Токсичность ABS мы рассмотрим позже в этом руководстве, но ни в коем случае нельзя вдыхать пары ABS, находящиеся непосредственно над ручной ручкой).

PLA против ABS: что прочнее?

Если вы спросите любителя «Плаурил или АБС: что прочнее?»Скорее всего, они скажут вам про ABS. С технической точки зрения, они неправы.

Если мы возьмём технические характеристики и посмотрим на чистоту Предел прочности на разрыв (какое усилие требуется, чтобы разорвать пластик до щелчка) PLA на самом деле прочнее и значительно жестче, чем ABS.

Однако НОАК невероятно хрупкостью,У него очень низкий порог поглощения энергии. Если ударить по детали из PLA-пластика молотком, она разобьется, как стекло.

Почему стоит использовать ABS вместо PLA? (Ударный фактор)

Инженеры используют АБС-пластик не потому, что он жестче, а потому, что он прочнее. Бутадиеновый каучук в составе АБС-пластика придает ему невероятную жесткость. Сила удара и пластичность.

• Гибкий ли ABS-пластик? Хотя ABS не является по-настоящему гибким филаментом (как TPU или TPE), он обладает гораздо большей «удлиняемостью при разрыве», чем PLA. Прежде чем ABS разрушится под нагрузкой, он деформируется, согнется и потеряет свою форму. PLA же просто сломается. Если вы печатаете каркасы дронов, захваты для роботизированных рук или функциональные защелкивающиеся соединения, которые должны изгибаться, не ломаясь, то вам потребуется... обязательно Используйте ABS вместо PLA.

Вес и плотность: ABS тяжелее, чем PLA?

При облегчении деталей для аэрокосмической отрасли или робототехникаПлотность имеет значение. Если вы напечатаете один и тот же куб размером 100 мм со 100% заполнением обоими материалами, PLA тяжелее.

• Плотность PLA: ~1.24 г/см³
• Плотность АБС-пластика: ~1.04 г/см³

ABS примерно на 20% легче, чем PLA, что делает его лучшим выбором для применений, где важна каждая граммовая единица при высоких нагрузках.

Термостойкость ABS и PLA

В науке о полимерах мы изучаем Температура стеклования (Тс)Это температура, при которой твердый пластик переходит в мягкое, эластичное состояние. Для этого не требуется... плавиться Для разрушения ему достаточно достичь температуры стеклования (Tg), после чего он деформируется под собственным весом или под воздействием механической нагрузки.

• Температура стеклования PLA: ~60°C (140°F).
  • Инженерная реальность: если ты 3D печать Если вы припаркуете машину на солнце летом и сделаете для нее специальное крепление для смартфона из PLA-пластика, температура в салоне легко превысит 60°C. По возвращении ваш PLA-держатель деформируется и будет с него стекать жидкость. PLA-пластик нельзя использовать на открытом воздухе, в автомобилях или в условиях высоких температур.
• Температура стеклования АБС-пластика: ~105°C (221°F).
  • Инженерная реальность: ABS-пластик без проблем выдерживает кипящую воду, высокие температуры в салонах автомобилей и электронные корпуса, выделяющие значительное количество тепла. Этот существенный скачок в термостойкости является основной причиной того, почему ABS остается промышленным стандартом, несмотря на то, что его сложнее печатать.

ABS выглядит лучше, чем PLA?

Сразу после печати PLA-пластик, как правило, выглядит чётче. Поскольку PLA-пластик не деформируется и не сжимается так сильно, как ABS-пластик, при охлаждении, он прекрасно воспроизводит невероятно мелкие детали, острые углы и текстуры высокого разрешения. ABS-пластик имеет тенденцию слегка сглаживать острые микродетали из-за термической усадки.

Итак, ABS выглядит лучше, чем PLA? Нет, из принтера не выходит. Но после постобработки ABS-пластик значительно превосходит другие аналоги.

Преимущества сглаживания паров ацетона

Поскольку PLA обладает высокой химической стойкостью к распространенным растворителям, сгладить отчетливые «слоистые линии», оставшиеся после 3D-печати, непросто. Для получения идеально гладкой детали из PLA необходимо потратить часы на ручную шлифовку и нанесение автомобильной грунтовки.

Однако АБС-пластик очень чувствителен к... АцетонИнженеры используют метод, называемый «сглаживание парами ацетона». Поместив деталь из АБС-пластика в закрытый контейнер с испаряющимся ацетоном на 15–30 минут, растворитель слегка расплавляет внешнюю оболочку пластика.

• Результат: Линии слоев полностью исчезают. Деталь из ABS-пластика имеет глянцевую, идеально гладкую поверхность, которая выглядит так, будто она была изготовлена ​​серийно в дорогостоящей стальной литьевой форме. Для функционального использования Прототипы Представленное заинтересованным сторонам, это эстетическое преимущество является огромным.

Реалии производства: каковы недостатки печати с использованием ABS-пластика?

Учитывая превосходную термостойкость, ударопрочность и возможности постобработки, начинающие инженеры часто считают, что ABS должен полностью заменить PLA на производстве. Но когда они пытаются напечатать массивную, высокоплотную конструкционную деталь из ABS на дешевом 3D-принтере открытого типа, они сразу же обнаруживают его фатальный недостаток.

Основная причина, по которой дизайнеры избегают использования ABS-пластика, заключается в его коэффициент теплового сжатия.

После появления АБС-пластик Когда расплавленный материал (примерно 240 °C) остывает до комнатной температуры, он значительно сжимается. При печати крупной детали верхние слои остывают и сжимаются быстрее, чем нижние слои, лежащие на нагретой рабочей платформе. Это неравномерное охлаждение создает огромное внутреннее сдвиговое напряжение внутри детали.

• Коробление: Внутреннее напряжение резко вытянет углы отпечатка вверх, полностью оторвав его от стеклянной платформы и испортив печать, которая длилась 20 часов.
• Расслоение слоев: Если деталь высокая, то возникающее напряжение буквально расколет пластик горизонтально вдоль линий слоев прямо во время печати.

Для успешной печати ABS-пластиком в промышленных целях нельзя использовать обычный настольный принтер. обязательно Используйте принтер с высокотемпературной нагреваемой платформой (100°C и выше) и, что наиболее важно, с полностью закрытой, активно нагреваемой рабочей камерой. Температура окружающего воздуха внутри принтера должна поддерживаться в пределах 60–80°C, чтобы обеспечить медленное и равномерное охлаждение пластика.

Охрана труда и техника безопасности: токсична ли АБС-нить?

При настройке существует еще одно важное ограничение. Аддитивные производства Лаборатория. Отделы закупок постоянно отмечают этот запрос: «Токсичен ли ABS-пластик?»

Инженерное решение требует взглянуть на букву «S» в аббревиатуре ABS.Стирол.
При экструзии PLA происходит плавление сахаров растительного происхождения, которые выделяют безвредные лактиды. При нагревании ABS до 240°C происходит термическое разложение, в результате которого в воздух высвобождаются опасные летучие органические соединения (ЛОС), в основном стирол, а также миллионы ультрадисперсных частиц (УДЧ).

Вдыхание паров стирола вызывает немедленную головную боль, тошноту и раздражение дыхательных путей. Длительное воздействие является серьезной проблемой с точки зрения соблюдения требований OSHA в производственной среде.

• Правило: Печать ABS-пластиком невозможна в открытом офисе, спальне или невентилируемом классе. Принтеры для печати ABS-пластиком должны быть полностью закрыты и оснащены мощными системами фильтрации HEPA и активированным углем, или, в идеале, с прямым выводом выхлопных газов наружу здания.

Современные усовершенствования: PETG и ASA

Из-за серьезных проблем, связанных с деформацией и токсичностью АБС-пластика, инженеры-полимерологи разработали передовые альтернативы. нити которые заполняют пробел между простотой использования PLA и механическими свойствами ABS.

ABS-филамент против PETG

Если вы посмотрите на поисковый запрос pla vs abs vs petg, ПЭТГ (Полиэтилентерефталат Гликоль) по сути стал для современного инженера «золотой серединой».

• Преимущество: PETG обладает ударопрочностью и адгезией слоев, которые не уступают (а иногда и превосходят) ABS. Что особенно важно, его термоусадка очень низкая, а это значит, что его можно печатать на принтере открытого типа почти так же легко, как PLA, без сильной деформации. Кроме того, он не выделяет токсичный стирол.
• Недостаток: Его термостойкость (температура стеклования около 80°C) лучше, чем у PLA, но все же уступает ABS. Он не разглаживается ацетоном и обладает высокой гигроскопичностью (поглощает влагу из воздуха и должен быть высушен перед печатью).

ABS-пластик против ASA

Это настоящая промышленная модернизация. Акрилонитрилстиролакрилат (АСА) был создан для устранения одного из самых существенных экологических недостатков АБС-пластика: деградации под воздействием ультрафиолетового излучения.
Если оставить деталь из АБС-пластика на открытом воздухе под прямыми солнечными лучами, ультрафиолетовое излучение разрушит фазу бутадиенового каучука. В течение нескольких месяцев АБС-пластик пожелтеет, станет невероятно хрупким и потрескается.

• Решение ASA: В ASA бутадиен заменен акрилатным каучуком. Он печатается точно так же, как ABS, требует того же нагреваемого корпуса и обладает точно такой же термостойкостью и ударопрочностью. Но он практически невосприимчив к ультрафиолетовому излучению. Сегодня, если вы печатаете детали для наружного освещения или автомобильные внешние детали, вы выбираете ASA, а не ABS.

Пример из практики: Разработка кронштейна для автомобильного датчика

Чтобы все это объединить для вашей спецификации материалов, давайте рассмотрим практический инженерный сценарий, который мы обрабатываем в Rapmaf.

Задача: Автомобильному клиенту требуется изготовленный на заказ, быстропрототипируемый кронштейн для крепления диагностического датчика. Кронштейн будет крепиться болтами к шасси. внутри Моторный отсек прототипа автомобиля. Он будет подвергаться вибрациям двигателя и воздействию температуры окружающей среды около 85°C (185°F).

Давайте оценим варианты материалов:

1. ПЛА: Начинающий дизайнер рекомендует PLA-пластик, потому что его легко печатать. Результат: Катастрофический отказ. Температура в моторном отсеке достигает 85°C. Температура стеклования PLA составляет 60°C. Кронштейн размягчится, деформируется и уронит дорогостоящий датчик в блок двигателя в течение первых десяти минут движения. Кроме того, вибрации двигателя могут привести к разрушению кронштейна. хрупкий ПЛА.
2. ПЕТГ: Более удачное предложение. Оно хорошо справляется с вибрациями. Результат: Краевой сбой. Температура стеклования (Tg) ПЭТГ составляет около 80 °C. При длительном нагреве до 85 °C он начнет «ползуче деформироваться» (медленно деформироваться со временем под нагрузкой). Это слишком близко к тепловому пределу.
3. ABS: Правильное инженерное решение. Результат: Успех. Благодаря температуре стеклования Tg 105°C, ABS не боится тепла двигателя. Его превосходная ударопрочность поглощает вибрации двигателя, предотвращая поломку.
4. КАК: Это тоже допустимый вариант, но необязательный. Поскольку скобка... внутри В темном моторном отсеке он не будет подвергаться воздействию ультрафиолетового излучения. Использование ASA неоправданно увеличит стоимость нити накаливания, а ее преимущество (устойчивость к УФ-излучению) никогда не будет использовано.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Что лучше подходит для начинающих — PLA или ABS?
A: PLA однозначно лучше подходит для начинающих. Он не требует подогреваемой камеры, печатается при более низких температурах, не деформируется легко и не выделяет токсичных паров. Вам следует полностью освоить печать PLA, прежде чем пытаться печатать ABS.

В: PLA дешевле, чем ABS?
А: Исторически АБС-пластик был дешевле, потому что это массово производимый товарный пластик. литье под давлениемОднако, благодаря стремительному развитию 3D-печати, производство PLA-пластика значительно расширилось. Сегодня стандартные катушки PLA и ABS стоят примерно одинаково (между двумя крайностями). $15to$25 за килограмм), что делает цену несущественным фактором при принятии инженерного решения.

В: Почему мои ABS-пластиковые детали постоянно трескаются по горизонтали?
А: Это называется «расслоение», и оно вызвано термическим сжатием. Окружающий воздух вокруг вашей детали слишком холодный. Вам необходимо закрыть 3D-принтер, чтобы удержать тепло, обеспечивая равномерное охлаждение всей детали только после полного завершения печати.

В: Можно ли использовать ABS-пластик в изделиях, безопасных для пищевых продуктов?
А: Нет. Стандартный ABS-пластик не предназначен для контакта с пищевыми продуктами. Кроме того, микропористая поверхность деталей, напечатанных методом FDM 3D, способствует размножению бактерий, которые невозможно удалить. Для контакта с пищевыми продуктами необходимо использовать сертифицированный пищевой PETG или PP (полипропилен) и покрыть его пищевой эпоксидной смолой.

Ссылки и дополнительная литература

Для проверки механических и термических допусков при следующей производственной партии обратитесь к следующим отраслевым стандартам:

1. Безопасность 3D-печати по стандартам OSHA/NIOSH: Важнейшая информация для руководителей производственных объектов относительно требований к вентиляции для снижения воздействия стирола и летучих органических соединений при печати ABS-филаментом.
   • Ссылка: cdc.gov/niosh