Wie du das richtige 3D Druck Material findest
Sind dir auch schon einmal so kryptische Begriffe, wie z. B. Izod impact strength, notched (at 23 °C), Elongation at yield, und ASTM D 256-10 in den Datenblättern zu 3D Druck Material aufgefallen? Worin unterscheiden sich diese Werte? Was sagen die Werte aus dem Datenblatt eigentlich aus? In welcher Beziehung stehen die angegebenen Daten zu gängigen Materialien, mit denen wir uns täglich umgeben, und warum ist es für deine Entscheidung wichtig? Zugegeben, das Thema wirkt ein wenig trocken. Solange du "einfach nur" 3D drucken möchtest, macht das doch keinen Unterschied, oder etwa doch? Nun ... vielleicht ein wenig für jeden von uns. Ganz bestimmt eine Menge, wenn die Materialien Belastungen ausgesetzt werden.
3D Druckmaterialien in ihrer großen Bandbreite unterscheiden sich nicht nur von Material zu Material, sondern sehr oft auch von Hersteller zu Hersteller, manchmal sogar von Charge zu Charge. Alle Materialeigenschaften, wie chemische, optische, mechanische, thermische oder elektrische Eigenschaften bestimmen darüber, wie sich ein bestimmtes Material unter bestimmten Bedingungen verhält. Um diese Unterschiede beurteilen zu können, helfen quantitative Metriken aus definierten Testumgebungen und -Szenarien, den Nutzen eines Materials im Vergleich zu einem anderen für einen bestimmten Anwendungsfall anhand der Testattribute zu bewerten.
Nachfolgend zeige ich dir die am häufigsten verwendeten Werte zur Bestimmung bestimmter mechanischer und thermischer Eigenschaften. Ich zeige dir, wie du die Bedeutung für deine Anwendung abliest und inwiefern sich die Eigenschaften typischer 3D Druckmaterialien von den Kunststoffen unterscheiden, die in herkömmlichen Produktionsverfahren, wie dem Spritzguss Verwendung finden. Mithilfe dieses Beitrags sollst du in die Lage versetzt werden, den von dir gewünschten Werkstoff richtig einzuschätzen und das richtige 3D Druck Material zu finden.
Häufig genannte mechanische und thermische Eigenschaften bei 3D Druck Material
Werkstoffeigenschaften werden am zuverlässigsten mit standardisierten Prüfmethoden gemessen. Es handelt sich dabei um Standards, die von Benutzergruppen oder -Gemeinschaften dokumentiert wurden oder im Rahmen nationaler oder internationaler Standardisierungsorganisationen vereinbart wurden (z. B. ASTM, ISO). Dabei beziehen sich alle Tests auf standardisierte Prüflinge. Insofern geben sie dir nur einen Anhaltspunkt für die Eigenschaften deines Bauteils, denn diese Eigenschaften werden auch von der Geometrie des Bauteils beeinflusst. Ich gehe auf die in der Tabelle genannten Tests ein und zeige dir an Beispielen von 3D Druck Material, wie sie sich unterscheiden. Die dabei gezeigten Beispiele sind nicht allgemeingültig und beziehen sich lediglich auf die jeweiligen Materialien der genannten Hersteller zum Zeitpunkt der Verfassung dieses Artikels.
| Darstellung | Materialeigenschaft | Definition | Warum ist das wichtig? |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (Tensile Strength) | Beständigkeit eines Materials gegen Bruch unter Spannung. | Eine grundlegende Eigenschaft, die die ultimative Stärke eines Teils zeigt. Eine hohe Zugfestigkeit ist wichtig für tragende, mechanische, statische Teile oder Strukturteile. |
| Elastizitätsmodul (Young's Modulus) | Beständigkeit eines Materials gegen Dehnung unter Spannung (Steifheit). | Ein guter Indikator für die Steifigkeit (hoher Modul) oder die Flexibilität (niedriger Modul) eines Materials. |
| Dehnung (Elongation) | Beständigkeit eines Materials gegen Brechen, wenn es gedehnt wird. | Hilft dir, Eigenschaften flexibler Materialien in Bezug auf die Dehnbarkeit zu vergleichen. Zeigt auch an, ob sich ein Material zuerst verformt oder plötzlich bricht. |
| Biegefestigkeit (Flexural Strength) | Bruchfestigkeit eines Materials beim Biegen. | Ähnlich der Zugfestigkeit, zeigt jedoch Festigkeit im Biegemodus. Auch ein guter Indikator, wenn ein Material isotrop (homogen) ist. |
| Biegemodul (Flexural Modulus) | Biegefestigkeit eines Materials unter Last. | Guter Indikator für die Steifigkeit (hoher Modul) oder die Flexibilität (niedriger Modul) eines Materials. |
| Schlagfestigkeit (Impact Strength) | Fähigkeit eines Materials, Stöße und Schlagenergie zu absorbieren, ohne zu brechen. | Zeigt die Zähigkeit eines Materials an. Dieser Wert hilft dir herauszufinden, ob ein Teil heil bleibt, wenn es auf den Boden fällt oder gegen ein anderes Objekt stößt. |
| Eindruckhärte (Shore) (Indentation Hardness (Shore)) | Widerstand eines Materials gegen Verformung. | Hilft dir, die richtige Weichheit für Gummi und Elastomere für bestimmte Anwendungen zu ermitteln. |
| Druckverformungsrest (Compression Set) | Bleibende Verformung nach dem Zusammendrücken des Materials. | Wichtig für elastische Anwendungen. Zeigt an, ob ein Material schnell in seine ursprüngliche Form zurückspringt. |
| Reißfestigkeit (Tear Strength) | Beständigkeit eines Materials gegen Risswachstum unter Spannung. | Wichtig für flexible Materialien wie Gummi oder Textilien. Zeigt die Abriebfestigkeit an. |
| Wasseraufnahme (Water Absorption) | Menge des unter bestimmten Bedingungen aufgenommenen Wassers. | Vor allem bei der Verarbeitung des Rohmaterials kann eine hohe Wasseraufnahme oder Luftfeuchtigkeit zur Verschlechterung der Materialeigenschaften bei Thermoplasten führen. |
| Wärmeformbeständigkeitstemperatur (Heat Deflection Temperature) | Temperatur, bei der sich eine Probe unter einer bestimmten Belastung verformt. | Zeigt an, ob ein Material für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist. |
| Vicat-Erweichungspunkt (Vicat Softening Point) | Temperatur, bei der das Material spürbar weich wird. | Wird für Materialien verwendet, die keinen bestimmten Schmelzpunkt haben. Für Hochtemperaturanwendungen hilft es, die obere Temperaturgrenze für den Dauereinsatz zu bestimmen. |
| Wärmeausdehnung (Thermal Expansion) | Tendenz eines Materials, sich als Reaktion auf eine Temperaturänderung auszudehnen (oder zu schrumpfen). | Wichtig für Anwendungen, bei denen eine Formänderung als Reaktion auf die Temperatur nicht akzeptabel oder wünschenswert ist. |
Es ist recht wahrscheinlich, dass du auf folgende Metriken und Standards in Datenblättern von Materialien stößt. Hier ein Beispiel für die Zugfestigkeit von einem Standard-Resin:
| Metric | Imperial | Method | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Green | Post-cured | Green | Post-cured | ||
| Ultimate Tensile Strength | 38 MPa | 65 MPa | 5510 psi | 9380 psi | ASTM D 638-10 |
Ein weiteres Beispiel, diesmal für die Bruchdehnung von Ultimaker ABS:
| Mechanical properties | Injection molding | 3D printing | ||
|---|---|---|---|---|
| Typical value | Test method | Typical value | Test method | |
| Elongation at break | - | - | 210 % | ISO 527(50 mm/min) |
Was sagen also diese Werte nun aus?
- Metric: metrische Einheiten
- Imperial: imperiale Einheiten
- Method: Testmethode zum standardisierten Vergleich
- Green: Werte für SLA Teile ohne Nachbehandlung
- Post-cured: Werte für SLA Teile mit Nachbehandlung in einer UV-Kammer
- Typical value: typischer Wert aus einer Reihe mehrerer Tests
Das sind also nun unsere Grundlagen. Kümmern wir uns jetzt um die jeweiligen Testmethoden, die ich in der Tabelle zuvor aufgeführt habe und sehen wir uns an, wie diese Werte im Vergleich der unterschiedlichen Materialien ausfallen. Im Zuge dessen sehen wir uns auch noch an, wie sich die Werte der unterschiedlichen Produktionsverfahren zueinander verhalten. Der Einfachheit halber verzichte ich bei den aufgeführten Werten auf die Angabe der jeweiligen Testmethode ... ja richtig, wie wir zuvor gelernt haben, ist das ein wenig wie Äpfel mit Birnen zu vergleichen. Doch mir geht es eher darum, den jeweiligen Wert aufzuzeigen und typische Angaben beim 3D Druck Material dafür zu identifizieren. Wer also exakte Informationen benötigt, kommt nicht umhin, neben den Datenblättern auch noch die darin angegebenen Teststandards zu studieren.
Zugfestigkeit / Tensile Strength
Eine der grundlegendsten Materialeigenschaften ist die Zugfestigkeit, also die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Bruch unter Spannung. In Materialdatenblättern steht dieser Wert meist weit oben, da ihm eine so hohe Bedeutung in der Materialbewertung zukommt. In Verbindung mit einer ausreichenden Duktilität (Dehnbarkeit, Verformbarkeit) zeigt die Zugfestigkeit auch die Zähigkeit eines Materials an. Einige Materialien brechen unvermittelt, das nennen wir im Allgemeinen spröde, andere Materialien, wie z. B. viele Kunststoffe und Metalle hingegen verformen sich zunächst, bevor sie reißen. Um dieses Verhalten klar zu verstehen, werden Zugfestigkeitsdaten üblicherweise mit einer Spannungs-Dehnungs-Kurve ergänzt.
Materialien mit hoher Zugfestigkeit finden sich typischerweise in mechanischen oder statischen Bauteilen, sowie Strukturbauteilen, bei denen ein Bruch inakzeptabel ist. Häufige Anwendungsgebiete sind daher z. B. im Bauwesen, in der Automobilindustrie, in der Luftfahrt sowie bei Drähten, Seilen, kugelsicheren Westen und mehr. Im 3D-Druck werden mittlerweile oft gleiche oder sogar höhere Zugfestigkeiten im Vergleich zu Kunststoffteilen aus dem Spritzguss erreicht. Hohe Zugfestigkeiten bieten z. B. ABS, Nylon und einem Tough Resin.
Zugfestigkeit von herkömmlichen und 3D gedruckten Materialien, gemessen in MPa:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ABS | Nylon | Polypropylen | Kiefernholz(entlang der Faser) | Edelstahl 17-4 PH | Ultimaker ABS | Tough Resin | Ultimaker Nylon |
| 40 MPa | 70 MPa | 40 MPa | 40 MPa | 1090 MPa | 33,9 MPa | 34,7 MPa (Green) 55,7 MPa (Post-Cured) | 34,4 MPa |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Zugfestigkeit, ASTM D638-10, ISO 527-1
Elastizitätsmodul / Young's Modulus
Der Elastizitätsmodul gibt Auskunft über die Steifigkeit eines Materials unter Zugbelastung. Je höher der Wert vom Elastizitätsmodul, desto steifer ist das Material. Am oberen Ende der Skala wird mit dem Elastizitätsmodul die Formtreue eines Materials unter Last quantifiziert. Diese Eigenschaft ist von besonderer Bedeutung für dich, wenn du auf der Suche nach einem Material für Strukturteile und tragende mechanische Teile bist, von denen du erwartest, dass sie unter Last innerhalb ihrer geometrischen Spezifikationen bleiben.
Ein niedriger Elastizitätsmodul wiederum deutet auf ein elastisches Material hin, da es sich leicht verformen lässt. Diesen Wert ziehst du also am unteren Ende der Skala in Betracht, wenn du auf der Suche nach einem elastischen, weichen und flexiblem Material bist.
Elastizitätsmodul traditioneller und 3D gedruckter Materialien, gemessen in GPa:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ABS | Nylon | Polypropylen | Kiefernholz(entlang der Faser) | Edelstahl 17-4 PH | Ultimaker ABS | Tough Resin | Ultimaker Nylon |
| 2,3 GPa | 1,8 GPa | 1,9 GPa | 11 GPa | 280 GPa | 1,68 GPa | 0,45 GPa (Green) 1,26 GPa (Post-Cured) | 0,58 GPa |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Elastizitätsmodul, ASTM D638-10, ISO 527-1
Dehnung / Elongation
Das Ausmaß, in dem sich ein Material im Moment des Brechens ausdehnt, wird als Dehnung bezeichnet. Definiert als das Verhältnis der Ausdehnung über die anfängliche unbelastete Länge, drückt es die Fähigkeit eines Materials aus, Formänderungen ohne Rissbildung zu widerstehen. Steife Materialien, wie spröde harte Kunststoffe, weisen typischerweise eine geringe Bruchdehnung auf, während sich einige weiche, elastische Materialien vor dem Bruch um ein Vielfaches ihrer eigenen Länge dehnen können.
Wenn du auf der Suche nach einem flexiblen Material für deinen 3D Druck bist, dann gibt dir die Dehnung Auskunft darüber, wie stark sich das Material dehnen kann. Die Dehnungsmöglichkeit eines Materials ist oft in der Konstruktion und Architektur wichtig, wo es darauf ankommt, dass Verformungen erwünscht sind, bevor ein Material zusammenbricht. Sofern die Werte angegeben sind, kann die Dehnung aus der Zugfestigkeit und dem Zugmodul eines Materials abgeleitet werden. Es handelt sich insofern um ein teilweise redundantes Maß.
Dehnung traditioneller und 3D gedruckter Materialien, gemessen in Prozent:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ABS | Nylon | Polypropylen | Kiefernholz(entlang der Faser) | Edelstahl 17-4 PH | Ultimaker ABS | Tough Resin | Ultimaker Nylon |
| 30 % | 90 % | 100 % | 9 % | 5 % | 3,5 % | 67 % (Green) 49 % (Post-Cured) | 210 % |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Dehnung, ASTM D638-10, ISO 527-1
Biegefestigkeit (Flexural Strength)
Ähnlich wie die Zugfestigkeit beschreibt die Biegefestigkeit die Bruchfestigkeit eines Materials unter Last. Der Unterschied liegt in der Art der Last, die sich für die Biegefestigkeit im Biegemodus befindet und somit sowohl die Druckfestigkeit als auch die Zugfestigkeit eines Materials widerspiegelt.
Bei den meisten Kunststoffen liegen Biege- und Zugfestigkeit eng beieinander. Wenn ein Material isotrop (homogen) ist, entspricht seine Biegefestigkeit der Zugfestigkeit. Aufgrund der starken chemischen Bindungen zwischen den 3D Drucken sind im SLA-Verfahren gebaute Teile isotrop. Insofern ergibt sich speziell in diesem Verfahren ein Vorteil, da die Teile unabhängig von der Ausrichtung eine vergleichbare Festigkeit aufweisen.
Biegefestigkeit von herkömmlichen und 3D gedruckten Materialien, gemessen in MPa:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ABS | Nylon | Polypropylen | Kiefernholz(entlang der Faser) | Edelstahl 17-4 PH | Ultimaker ABS | Tough Resin | Ultimaker Nylon |
| 63 MPa | 117 MPa | 40 MPa | 60 MPa | 1100 MPa | 70,5 MPa | 20,8 MPa (Green) 60,6 MPa (Post-Cured) | 24,0 MPa |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Biegefestigkeit, ASTM D790-15, ISO 178
Biegemodul (Flexural Modulus)
Der Biegemodul ist ein Maß für die Steifigkeit eines Materials in Biegerichtung. Ein hoher Biegemodul zeigt ein steiferes Material an, während elastische Materialien einen niedrigeren Biegemodul haben. Genau wie Zug- und Biegefestigkeit hängen Zug- und Biegemodul eng zusammen und unterscheiden sich in der Regel nicht wesentlich.
Der Biegemodul ist eine wichtige Messgröße für Anwendungen wie Stahlfedern, insbesondere Blattfedern sowie Stützbalken oder Bauteile. Diesen Wert ziehst du also hinzu, wenn du wissen musst, wie gut oder schlecht sich ein Material biegen lässt.
Der Biegemodul von herkömmlichen und 3D gedruckten Materialien, gemessen in GPa:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ABS | Nylon | Polypropylen | Kiefernholz(entlang der Faser) | Edelstahl 17-4 PH | Ultimaker ABS | Tough Resin | Ultimaker Nylon |
| 2,5 GPa | 1,8 GPa | 1,5 GPa | 8 GPa | 210 GPa | 2,07 GPa | 0,6 GPa (Green) 1,6 GPa (Post-Cured) | 0,5 GPa |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Flexural Modulus, ASTM D790-15, ISO 178
Schlagfestigkeit / Impact Strength
Materialien können auf statische Belastungen anders reagieren als auf plötzliche Stöße. Die Fähigkeit, diese plötzliche Energie während der plastischen Verformung aufzunehmen, ist die Zähigkeit des Materials. Definiert als die Energiemenge, die ein Material bei einem plötzlichen Aufprall oder Stoß aufnehmen kann, ohne zu brechen, sind Aufpralltests ein hervorragender Indikator für die Zähigkeit. Spröde Materialien weisen aufgrund der geringen plastischen Verformung, die sie aushalten können, eine geringe Zähigkeit auf. Im Allgemeinen nimmt bei niedrigeren Temperaturen auch die Aufprallenergie ab, die ein Material absorbieren kann.
Die Schlagfestigkeit ist ein wichtiger Faktor in vielen Anwendungen, von Gehäusen über Schutzschirme bis hin zu Schutzbrillen. Der IZOD- und der Charpy-Schlagfestigkeitstest sind zwei gebräuchliche Schlagfestigkeitstests, die sich nur in der Art und Weise unterscheiden, in der sie gemessen werden, wobei Ersterer der ASTM-Standard ist.
Schlagzähigkeit von herkömmlichen und 3D gedruckten Materialien, gemessen in J/m²:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ABS | Nylon | Polypropylen | Kiefernholz(entlang der Faser) | Edelstahl 17-4 PH | Ultimaker ABS | Tough Resin | Ultimaker Nylon |
| 400 J/m² | 64 J/m² | 64 J/m² | 19 J/m² | k. A. | 10,5 kJ/m² | 32,6 J/m² (Green) 38 J/m² (Post-Cured) | 34,4 kJ/m² |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Zähigkeit, ASTM D256-10, ISO 180
Eindruckhärte (Shore) / Indentation Hardness (Shore)
Unter Härte versteht man den Widerstand eines Materials gegen bleibende Formänderungen, wenn eine Druckkraft ausgeübt wird. In der Praxis ist Härte gleichbedeutend mit Kratzfestigkeit sowie Eindrückfestigkeit und elastischer Verformung. Härte und Zähigkeit schließen sich gegenseitig aus. Harte Materialien sind von Natur aus spröde, während für die Zähigkeit ein Material mit einer gewissen Verformbarkeit erforderlich ist. Während eine niedrige Härte im Allgemeinen auf ein weiches Material hinweist, wird die obige Härtedefinition umso unpraktischer, je weicher das zu prüfende Material ist. Hier kommt der Shore-Durometer (oder die Shorehärte) ins Spiel - eine Testmethode und -Definition zur Messung der Härte (oder Weichheit) von weichen, flexiblen und elastischen Materialien wie Gummi, Elastomeren und einigen Polymeren.
In der Praxis wird das Shore-Durometer häufig verwendet, um geeignete Materialien für Oberflächen mit weichem Griff zu identifizieren, z. B. einen Griff oder das richtige Gummi für eine bestimmte Dichtung. Der Durometer ist auch ein wichtiges Maß für Rollen und Vollgummireifen. Eine hohe Shorehärte zeigt ein härteres und weniger flexibles Material an, während ein niedrigerer Wert ein weicheres Material anzeigt. Wenn in einem Datenblatt kein Wert für die Härte angegeben ist, kann ein niedriger Zugmodul auch ein guter Indikator für ein elastisches und weiches Material sein. Die ASTM-Prüfnorm sieht insgesamt 12 Skalen (von A bis R) vor, wobei die A-Skala für weichere Kunststoffe am gebräuchlichsten ist und die D-Skala für härtere. Die jeweiligen Abstufungen sind dann wiederum in Ziffern angegeben. So gibt es Shore Härte 80 in der Skala A ebenso, wie in der Skala D.
Eindruckhärte von herkömmlichen und 3D gedruckten Materialien, gemessen auf der Shore A-Skala:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Gummiband | Türdichtung | Autoreifen | Hydraulik O-Ring | Skateboard Rolle | Ultimaker TPU | Flexible Resin | NinjaFlex |
| 25 A | 55 A | 70 A | 70-90 A | 98 A | 95 A | 70-75 A (Green) 80-85 A (Post-Cured) | 85 A |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Zähigkeit, ASTM D2240, Shore Durometer
Druckverformungsrest / Compression Set
Der Druckverformungsrest wird üblicherweise verwendet, um die bleibende Verformung in einem weichen Material wie einem Elastomer zu beschreiben, nachdem eine Druckkraft entfernt wurde. Materialien mit einem hohen Druckverformungsrest sind nicht für Anwendungen geeignet, bei denen erwartet wird, dass ein Teil schnell in seine ursprüngliche Form zurückspringt, nachdem eine Druckkraft entfernt wurde, wie z. B. Federn. Für Dämpfer oder Dichtungen kann ein hoher Druckverformungsrest akzeptabel oder erwünscht sein.
Druckverformungsrest von herkömmlichen und 3D Druckmaterialien, gemessen in Prozent:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| weiches Silikon | hartes Silikon | Silikonschwamm | Urethane | Flexible Resin | Elastic Resin | Tango (PolyJet) |
| 1 % | 5 % | 5 % | 0,4 % (Green) 0,4 % (Post-Cured) | 2 % (Green) 3-9 % (Post-Cured) | 0,5-5 % |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Druckverformungsrest, ASTM D395-03
Reißfestigkeit / Tear Strength
Die Reißfestigkeit beschreibt die Widerstandskraft gegenüber Rissbildung bei Dehnung eines Materials, insbesondere das Wachstum von Schnitten und deren Ausbreitung durch das Material unter Last. Materialien mit geringer Reißfestigkeit neigen zu geringer Abriebfestigkeit und versagen schnell, wenn sie beschädigt werden.
Die Reißfestigkeit ist ein wichtiger Faktor bei der Auswahl flexibler Materialien wie Gummi oder Textilien für hochfeste Anwendungen. Materialien, die für gespannte Membranen, Trommeln oder Segeltücher, Gummibänder und Bungees verwendet werden, müssen auch nach anfänglicher Beschädigung reißfest sein und erfordern daher eine hohe Reißfestigkeit.
Reißfestigkeit von herkömmlichen und 3D gedruckten Materialien, gemessen in kN/m:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| weiches Silikon | hartes Silikon | Urethane | Flexible Resin | Elastic Resin | Tango (PolyJet) |
| 9,8 kN/m | 49 kN/m | 12-26 kN/m | 9,5-9,6 kN/m (Green) 13,3-14,1 kN/m (Post-Cured) | 8,9 kN/m (Green) 19,1 kN/m (Post-Cured) | 3,3-10 kN/m |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Reiß- / Zugfestigkeit, ASTM D395-03
Wasseraufnahme / Water Absorption
Kunststoffe nehmen eine bestimmte Menge Wasser aus feuchter Luft oder beim Eintauchen in Wasser auf. Obwohl einige Kunststoffe hygroskopischer sind als andere, ist diese winzige Wasseraufnahme für die endgültigen Kunststoffprodukte selten von Bedeutung. Es spielt jedoch eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung der Rohstoffe und bei der Hitzebeständigkeit von Kunststoffteilen.
Bei Erhitzung über eine bestimmte Temperaturschwelle von typischerweise etwa 150 bis 160° C entsteht bei vielen Thermoplasten in Gegenwart von Feuchtigkeit eine chemische Reaktion, die als Hydrolyse bezeichnet wird und bei der lange Molekülketten in kürzere Ketten gespalten werden und das Material schwächen. Wenn ein thermoplastischer Rohstoff mit hoher Wasseraufnahme vor dem 3D Druck oder Spritzgießen Feuchtigkeit ausgesetzt wird, tritt während des Prozesses eine Hydrolyse auf, die zu schlechten Materialeigenschaften des fertigen Teils führt. Thermoplastische Rohstoffe mit hoher Wasseraufnahme müssen daher trocken gelagert werden.
Während spritzgegossene Kunststoffe (ABS, Nylon, Polypropylen) Thermoplaste sind, sind SLA-Photopolymere Duroplaste - sie werden mit einer Lichtquelle ausgehärtet, anstatt in Form geschmolzen und bleiben nach dem Aushärten in einem dauerhaften festen Zustand. Infolgedessen sind sie nicht anfällig für die negativen Auswirkungen der Hydrolyse. Hingegen wird Polyvinylalkohol (PVA) durch seine hydrophilen Eigenschaften schnell mit Feuchtigkeit gesättigt und karbonisiert zu harten Rückständen.
Wasseraufnahme von herkömmlichen und 3D gedruckten Materialien, gemessen in Prozent:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| ABS | Nylon | Polypropylen | ABS (FDM) | High Temp Resin | Nylon (SLS) | Ultimaker PVA |
| 0,05-1,8 % | 0,7-1,6 % | 0,01-0,1 % | ca. 0,14 % | ca. 0,21 % | ca. 0,2 % | löslich in Wasser |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Wasseraufnahme
Wärmeformbeständigkeitstemperatur / Heat Deflection Temperature
Materialeigenschaften, insbesondere Zug- und Biegemodule, sind an die standardisierten Umgebungsbedingungen gebunden, unter denen die Prüfergebnisse aufgezeichnet wurden. Unterschiedliche Umgebungsbedingungen, wie z. B. unterschiedliche Umgebungstemperaturen, können die Leistung eines Materials unter Last drastisch verändern. Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) erfasst die Temperatur, bei der sich ein Material unter einer bestimmten Belastung zu verformen beginnt.
Eine hohe HDT ist wünschenswert für Hochtemperaturanwendungen wie Gehäuse und Halterungen für Heizelemente und Komponenten, die mit heißen Flüssigkeiten oder Gasen in Kontakt kommen, wie Werkzeuge für Spritzgussformen, fluidische Verbinder, Ventile und Düsen.
Wärmeformbeständigkeit (HDT) von herkömmlichen und 3D gedruckten Materialien, gemessen in °C bei 0,45 MPa:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| ABS | Nylon | Polypropylen | ABS (FDM) | High Temp Resin | Clear Resin | Nylon (SLS) |
| 200 °C @ 0.45 MPa | 160 °C @ 0.45 MPa | 210 °C @ 0.45 MPa | ca. 96 °C @ 0.45 MPa | 289 °C @ 0.45 MPa | 73 °C @ 0.45 MPa | ca. 177 °C @ 0.45 MPa |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Wärmebeständigkeit, ASTM D648-16
Vicat-Erweichungspunkt / Vicat Softening Point
Im Gegensatz zu vielen anderen Materialien weisen Kunststoffe keinen scharfen Schmelzpunkt auf. Der Vicat-Erweichungspunkt ist eine alternative Definition für den Punkt, an dem ein Material zu fließen beginnt und diese Lücke für Kunststoffe und Thermoplaste füllt. Wie beim HDT erfasst der Vicat-Erweichungspunkt die Änderung der mechanischen Eigenschaften eines Materials unter Wärmeeinfluss. Es markiert einen Temperaturpunkt, an dem eine genormte Nadel einen Prüfling einer bestimmten Länge mit einer bestimmten Last einkerbt.
Dieser Wert wird üblicherweise verwendet, um die obere Temperaturgrenze für die kontinuierliche Verwendung eines Materials in einer Anwendung bei einer erhöhten Betriebstemperatur zu bestimmen, die als Faustregel etwa 15° C unter dem Vicat-Erweichungspunkt liegen sollte.
Vicat-Erweichungspunkt von herkömmlichen und 3D gedruckten Materialien, gemessen in °C:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| ABS | Nylon | Polypropylen | Ultimaker ABS | High Temp Resin | Nylon (SLS) |
| 100 °C | 125-165 °C | 143-152 °C | 97 °C | 230 °C | ca. 163 °C |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Vicat Softening Point, ISO 306
Wärmeausdehnung / Thermal Expansion
Nahezu alle Materialien neigen dazu, je nach Temperatur zu schrumpfen, sich auszudehnen oder auf andere Weise ihre Form zu ändern. Dieses Phänomen wird bei thermischen Aktoren, thermischen Sensoren und sogar bei künstlichen Muskeln ausgenutzt. In den meisten Fällen handelt es sich jedoch um eine unerwünschte Nebenwirkung, die wirksam gemindert werden muss. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist ein hilfreicher Indikator, um vorherzusagen und zu quantifizieren, wie ein Material seine Form in Reaktion auf Temperaturänderungen ändert. Ein positiver Wärmeausdehnungskoeffizient zeigt an, dass sich das Material mit zunehmender Temperatur ausdehnt, während ein negativer Wert eine Schrumpfung anzeigt.
Bei der Verarbeitung von Thermoplasten, sei es durch Spritzguss oder 3D Druck, muss die Wärmeausdehnung des Materials berücksichtigt werden, um nach dem Abkühlen die gewünschte Form zu erhalten. Dies gilt umso mehr, wenn es sich um technische Bauteile handelt, die eine Passung erfordern. Um thermische Phänomene wie das Schrumpfen, Aufrollen und Verziehen zu vermeiden, die die Erzielung geometrischer Präzision durch 3D Drucktechnologien wie SLS und FDM stark einschränken, ist es ratsam, bei der Auswahl des Materials den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu berücksichtigen.
Duroplastische 3D Drucktechnologien wie SLA leiden im Allgemeinen nicht unter thermischen Verzerrungen. Dies macht sie zu einer hervorragenden Wahl für Teile, bei denen höchste Genauigkeit und Formtreue erforderlich sind.
Wärmeausdehnungskoeffizient von herkömmlichen und 3D gedruckten Materialien, gemessen in µm/m/°C:
| Traditionelle Herstellungsverfahren | 3D Druckverfahren | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| ABS | Nylon | Polypropylen | Ultimaker CPE | High Temp Resin | Nylon (SLS) |
| 63 µm/m/°C | 90 µm/m/°C | 80-100 µm/m/°C | 0,00007 mm/mm/°C | 87 µm/m/°C | ca. 82,6-179,2 µm/m/°C |
Für weiterführende Informationen siehe auch: Wärmeausdehnung
Materialeigenschaften im Stereolithographie (SLA) 3D-Druck im Verhältnis zu FDM und SLS
Um die Materialeigenschaften zu verstehen, sehen wir uns die Verarbeitungsprozesse der 3D Druckverfahren an. Beginnen wir mit dem Stereolithographieprozess und seinem Rohmaterial, dem Kunstharz. Kunstharze bestehen aus kurzen Kohlenstoffketten, während Kunststoffe aus langen Kohlenstoffketten bestehen. Kunstharz ist also noch kein fertiger Kunststoff und benötigt einen Prozess, der die kurzen Kohlenstoffketten zu langen Ketten zusammenfügt. Deshalb enthält Kunstharz alle Komponenten des endgültigen Kunststoffs, ohne bereits vollständig polymerisiert zu sein. Wenn das Harz UV-Licht ausgesetzt wird, werden die Ketten durch zugesetzte Photoinitiatoren miteinander verbunden, um viel längere und steifere Ketten und dadurch feste Gegenstände zu erzeugen.
Diese Technologie bietet eine einzigartige Freiheit, um verschiedene Rezepturen zu erstellen. Wenn du so möchtest, kann im Kunstharz ein Produkt "gelöst" sein, das beim Kunststoff nur in industriellen Großanlagen bzw. im Labor verarbeitet werden kann. Verschiedene Harze bestehen aus verschiedenen Grundgerüsten und Zusätzen - verschiedene Kombinationen von langen und kurzen Monomeren sowie Additiven. Das Ergebnis sind Kunststoffe mit einer Vielzahl von Eigenschaften, von klar bis undurchsichtig und gefärbt, flexibel bis starr, hart bis hitzebeständig.
Dahingegen stellen Kunststoffe meist geringere Anforderungen an die Lagerung und sind unempfindlicher gegenüber Alterungsprozessen. So leiden Bauteile aus Kunstharz sehr viel stärker unter UV-Licht, als dies bei den Bauteilen aus Kunststoff der Fall wäre. Um 3D-Drucke aus Kunstharz haltbarer zu machen, werden sie daher oft lackiert, teilweise mit speziellem UV-Schutzlack.
Kunststoffe für FDM 3D-Drucker werden aus Granulaten, manchmal unter Zusatz von Farbstoffen, falls es sich nicht um eingefärbtes Granulat handelt, extrudiert und durch Wasser gezogen, um das heiße Filament abzukühlen und somit den gleichmäßigen Strang zu formen. Auf der Gegenseite des Extruders wird das abgekühlte Filament sofort aufgespult. Je nach Material wird in einem weiteren Prozess das aufgespulte Filament nochmals für einen bestimmten Zeitraum erhitzt - in der Fachsprache Tempern genannt. FDM Kunststoffe als Filament sind in einer großen Bandbreite und Farbvielfalt erhältlich, sodass sich viele Materialeigenschaften abbilden lassen.
Kunststoffe für SLS 3D-Druck erfordern einen perfekt abgestimmten Prozess, um eine ganz bestimmte Körnung des Kunststoffs zu erhalten. Ist die Körnung zu ungleichmäßig, kann die vom Laser emitierte Energie nicht die gewünschte Wirkung entfalten und der 3D-Druck misslingt. Bei diesen Kunststoffen wird meist nur eine Färbung (meist weiß) des Pulvers verwendet. So kann der Laser mit einem fixen Energieniveau arbeiten, das auf das Material abgestimmt ist. SLS Kunststoffe sind grundsätzlich in geringerer Anzahl an Sorten erhältlich. Eine Färbung ist bei vielen der angebotenen Materialien nachträglich möglich. Dadurch bleibt der Kern des 3D-Drucks jedoch immer in der Farbe des Ausgangsmaterials erhalten.
Isotropie vs. Anisotropie
Aufgrund des schichtweisen Aufbaus aller 3D-Drucktechnologien variieren die Materialeigenschaften in vielen Fällen bis zu einem gewissen Grad in Abhängigkeit von der Richtung des Materials, in dem sie gemessen werden. Dies trifft insbesondere auf das FDM-Verfahren zu, da hier die Schichtbindung nochmals geringer ausfällt, als beim SLS-Verfahren. Diese Bedingung wird als Anisotropie bezeichnet. Beispielsweise kann ein 3D gedrucktes Objekt unterschiedliche Bruchdehnungen oder Steifigkeiten in X-, Y- und Z-Richtung aufweisen.
Während des SLA-3D-Druckprozesses bilden die Komponenten des Harzes kovalente Bindungen (Atombindungen), die einen hohen Grad an Querfestigkeit liefern. Zugleich wird aber die Polymerisationsreaktion nicht zum Abschluss gebracht. Vielmehr wird der Druckprozess so moduliert, dass sich die Schicht in einem halbreagierten Zustand befindet, der als „grüner Zustand“ (ein Begriff, der auch beim Metallsintern üblich ist, hier sieht der zu sinternde Gegenstand oft grün aus) bezeichnet wird. Dieser grüne Zustand unterscheidet sich vom vollständig ausgehärteten Zustand in einem sehr wichtigen Punkt: Die Oberfläche weist noch polymerisierbare Gruppen auf, das nachfolgende Schichten kovalent binden können.
Wenn die nächste Schicht ausgehärtet ist, schließt die Polymerisationsreaktion auch die Gruppen auf der vorherigen Schicht ein, wodurch nicht nur seitlich, sondern auch mit der vorherigen Schicht kovalente Bindungen gebildet werden. Dies bedeutet, dass auf molekularer Ebene in Bezug auf chemische Bindungen zwischen der Z-Achse und der XY-Ebene kaum ein Unterschied besteht. Jedes Endlos-Teil, das auf einer SLA-Maschine gedruckt wird, ist daher isotrop.
Beim FDM-Verfahren und beim SLS-Verfahren wird hingegen auf einer bereits teilweise abgekühlten Schicht aufgebaut. Dadurch entstehen Grenzflächen, an denen keine perfekte Bindung vorhanden ist und entlang derer Zugkräfte ihre Wirkung entfalten können. Es ist daher bei diesen Verfahren von Nutzen, wenn bereits im Vorfeld bekannt ist, in welcher Richtung Kräfte wirken, um das Bauteil im Druckprozess quer zu dieser Richtung zu positionieren. Grundsätzlich sind SLS Bauteile jedoch unempfindlicher, da einheitlicher verschmolzen.
Nachhärtung
Sobald der Stereolithographieprozess abgeschlossen ist, verbleiben die gedruckten Teile im oben genannten grünen Zustand auf der Bauplattform. Während sie ihre endgültige Form und Gestalt erreicht haben, ist die Polymerisationsreaktion noch nicht abgeschlossen und daher werden die mechanischen und thermischen Eigenschaften noch nicht vollständig erreicht, wie du bei den oben gezeigten Beispielen der Datenblattwerte gesehen hast.
Durch das nachträgliche Erwärmen und belichten in Nachhärtungskammer im Anschluss zum Druckprozess beendet den Polymerisationsprozess und stabilisiert die mechanischen Eigenschaften. Dies ermöglicht es Teilen, die höchstmögliche Festigkeit zu erreichen und stabiler zu werden, was insbesondere für funktionelle Harze für wie z. B. für Gieß-, Hochtemperatur-, flexible und zähe Kunststoffe wichtig ist. So ist eine Nachhärtung für ein erfolgreiches Ausbrennen mit gießbaren 3D-Drucken erforderlich, und flexibles Harz verdoppelt seine Festigkeit bei einer Nachhärtung.
FDM- und SLS-Bauteile benötigen hingegen keine nachträgliche Belichtung. Je nachdem kann aber ein weiterer Sinterprozess (starkes Erhitzen mit mehreren Hundert Grad Celsius) erforderlich sein. Dies ist dann weniger verfahrensbedingt, als vielmehr durch das eingesetzte Material notwendig. So können im FDM-Verfahren Metalle 3D gedruckt werden, welche in einem nachfolgenden Sinterprozess zu festen Metallbauteilen werden.
Duroplaste vs Thermoplaste
Photopolymerharze sind im Gegensatz zu Thermoplasten duroplastische Kunststoffe. Obwohl sie ähnlich klingen, können ihre Eigenschaften und Anwendungen sehr unterschiedlich sein. Der hauptsächliche physikalische Unterschied besteht darin, dass Thermoplaste in einem flüssigen Zustand geschmolzen und mehrmals abgekühlt werden können, um verschiedene Formen zu bilden, wohingegen duroplastische Kunststoffe nach dem Aushärten in einem dauerhaften festen Zustand verbleiben.