Uitgebreide gids voor FDM 3D-printmaterialen: PLA, ABS en nieuwe opties

Inleiding

Het kiezen van het juiste type materiaal om een gegeven object te printen wordt steeds moeilijker, aangezien de 3D-printmarkt regelmatig radicaal nieuwe materialen ziet opduiken. Bij FDM 3D-printen zijn PLA en ABS historisch gezien de twee belangrijkste polymere die gebruikt worden, maar hun initiële dominantie was meestal toeval, dus er zouden geen grote belemmeringen mogen zijn voor andere polymere om een sleutelrol te spelen in de toekomst van FDM.

We zien nu nieuwe producten populairder worden, zowel zuivere polymere als composieten. In deze studie richten we ons op de belangrijkste zuivere polymere die vandaag op de markt bestaan: PLA, ABS, PET, Nylon, TPU (Flexibel) en PC. We vatten de belangrijkste verschillen tussen hun eigenschappen samen in overzichtsprofielen, zodat gebruikers een snelle keuze kunnen maken over het beste polymer voor hun toepassing.

Methodologie

Materialen worden meestal beoordeeld langs 3 categorieën: mechanische prestaties, visuele kwaliteit en proces. In dit geval breken we deze categorieën verder af om een helderder beeld te geven van de eigenschappen van het polymer. De keuze van het materiaal hangt er echt van af wat de gebruiker wil printen, dus we hebben de belangrijkste besliscriteria opgesomd die nodig zijn om een materiaal te kiezen (behalve kosten en snelheid):

• Gemak van printen: Hoe makkelijk het is om een materiaal te printen: bed adhesie, max printsnelheid, frequentie van mislukte prints, stroomnauwkeurigheid, gemak van inladen in de printer, etc.
• Maximale spanning: Maximale spanning die het object kan ondergaan voordat het breekt bij langzaam trekken.
• Rekking bij breuk: Maximale lengte waar het object is uitgerekt voordat het breekt.
• Slagweerstand: Energie nodig om een object te breken met een plotselinge impact.
• Laagadhesie (isotropie): Hoe goed de adhesie tussen lagen van materiaal is. Het is gekoppeld aan "isotropie" (=uniformiteit in alle richtingen): hoe beter de laagadhesie, hoe meer isotrop het object zal zijn.
• Hittebestendigheid: Maximale temperatuur die het object kan weerstaan voordat het verzacht en vervormt.

We bieden ook aanvullende informatie die niet in het diagram wordt vastgelegd, om een van twee redenen:

• Ze zijn in essentie noch "goed" noch "slecht"; ze zijn slechts eigenschappen die geschikt zijn voor sommige toepassingen en niet voor andere, zoals rigiditeit.
• We hebben geen goede kwantitatieve beoordeling ervan, maar we weten dat het een belangrijke factor is, zoals vochtbestendigheid of toxiciteit.

Resultaten

Elk materiaal is gerangschikt langs de volgende criteria op een schaal van 1 (laag) tot 5 (hoog). Dit zijn relatieve graden voor het FDM-proces - ze zouden er heel anders uitzien als andere productietechnologieën in aanmerking worden genomen. Met behulp van data van Optimatter zijn de polymere gerangschikt langs de verschillende criteria:

Je onderdelen laten printen in deze materialen: PLA, ABS, PET, Nylon, TPU

PLA

PLA is het makkelijkste polymer om te printen en levert goede visuele kwaliteit. Het is erg rigide en eigenlijk best sterk, maar heel broos.

ABS

ABS wordt meestal gekozen boven PLA wanneer hogere temperatuurbestendigheid en hogere zwaarte vereist is.

PET

PET is een iets zachter polymer dat goed afgebalanceerd is en interessante additionele eigenschappen bezit met weinig grote nadelen.

Nylon

Nylon bezit geweldige mechanische eigenschappen, en in het bijzonder de beste slagweerstand voor een niet-flexibel filament. Laagadhesie kan een probleem zijn, echter.

TPU

TPU wordt meestal gebruikt voor flexibele toepassingen, maar de zeer hoge slagweerstand kan de deur openen voor andere toepassingen.

PC

PC is het sterkste materiaal van alle, en kan een interessante alternatief zijn voor ABS omdat de eigenschappen heel vergelijkbaar zijn.

Conclusie

Het kiezen van het juiste polymer is cruciaal om de juiste eigenschappen voor een 3D-geprint onderdeel te krijgen, vooral als het onderdeel een functioneel gebruik heeft. Dit artikel helpt gebruikers het juiste materiaal te vinden afhankelijk van de eigenschappen die ze nodig hebben. Echter, materiaalleveranciers bieden vaak blends of additieven toe om de eigenschappen van het zuivere polymer te wijzigen (bijv. koolstofvezel toevoegen om het materiaal stijver te maken). We behandelen deze complexere formuleringen niet in dit artikel, maar je kunt data over sommige van deze producten vinden in ons optimalisatietool bij OptiMatter.

Disclaimer

• De graden in dit artikel zijn voor een gemiddeld polymer dat de algemene chemie vertegenwoordigt, maar de prestaties zullen variëren afhankelijk van het daadwerkelijke product of de leverancier waar de gebruiker koopt.
• Alle data onderliggend aan onze graden in deze studie is gemeten door 3D Matter, met uitzondering van hittebestendigheid, waarvoor we de glasovergangstemperatuur gebruikten gegeven door meerdere filamentleveranciers.
• Voor de secties "Aanvullende overwegingen" gebruiken we een combinatie van derdenbeoordelingen en onze eigen observaties.
• Het Nylon-type dat we in dit artikel bespreken is Nylon 6, niet Nylon 11 of 12.
• Visuele kwaliteit is getest zonder significante na bewerking. Er zijn manieren om prints gladder te maken en de visuele kwaliteit van een gegeven polymer aanzienlijk te verbeteren (bijv. acetondamp op ABS gebruiken).
• De toxiciteit van 3D-printpolymers is nog niet goed begrepen en is een factor die in de toekomst een grotere rol kan spelen. We baseren onze opmerkingen over toxiciteit op één studie door Azimi et al. [1]

[1] Azimi et al, Emissies van Ultrafijne Deeltjes en Vluchtige Organische Stoffen van Commercieel Beschikbare Desktop 3D-printers met Meerdere Filamenten, Environmental Science & Technology, 2016

Een grote dank aan 3D Matter voor het delen van dit materiaalonderzoek met onze community.