Hoe kies je het juiste materiaal voor 3D printen?

INLEIDING

Een van de meest door onze klanten gestelde vragen is welk type kunststof past bij hun toepassing. Het is moeilijk een kunststof te kiezen dat zowel voordelig als ook functioneel is.

Volgens ons onderzoek zijn 70% van de klanten zich ervan bewust dat 3D printen met maar enige soorten kunststof mogelijk is. 3D printen is populair op social media onder hobbyisten en enthousiasten, maar wij gaan focussen op het professioneel en industrieel gebruik. PLA, PETG en ABS zijn de meest voorkomende polymeren rond het 3D printen. Deze zullen voor de meeste toepassingen geschikt zijn, want ze zijn de meest veelzijdige en goedkope soorten kunststof. Voor professioneel gebruik zijn ze echter niet altijd optimaal en laten je niet van het volle potentiaal van 3D printen profiteren. Wij willen de materialen opnoemen, op hun bijzonderheden wijzen en laten zien hoe sommige ervan zelfs aluminium kunnen vervangen.

TECHNISCHE METHODE

Een goed advies baseert altijd op technische data. Voordat we in detail gaan, laten we een technisch datablad bekijken.

Om te kunnen bepalen welk kunststof het best geschikt is voor een toepassing moeten we een aantal parameters kennen:

• Modulus of elasticity/Tensile modulus: elasticiteis- of treksterkte. Deze parameter geeft aan hoe stijf of elastisch het materiaal is.

• Charpy impact strength: Charpy impactweerstand, of slagvastheid karakteriseert de schokbestendigheid van het materiaal.

• Temperature of deflection: doorbuigingstemperatuur onder een bepaalde belasting.

• Density: dichte (bepaalt het gewicht van het geprinte resultaat)

Laten we ons tot deze vier karakteristieken beperken, deze zullen ons een redelijk beeld maken van eigenschappen van een polymeer.

Modulus of elasticity

Het is van cruciaal belang te weten hoe stijf het onderdeel moet zijn. Als je denkt dat aluminium of CNC het best geschikte materiaal voor je onderdeel is, maar het 3D printen daarvan om een van de redenen je voorkeur heeft, dan zijn polymeren op basis van koolstofvezels, zoals PA6-CF of PETG-CF, vanzelfsprekend. Met een treksterkte van 7650 MPa is PA6-CF bijna 4 keer stijver dan het typische ABS en wordt daarom vaak "het zwarte aluminium" genoemd.

ABS - BUIGTEST

PA6CF - BUIGTEST

PA6-CF is een higher-end materiaal dat doorgaans wordt gebruikt in eindproductie en in de meeste gevallen aluminium kan vervangen. Als temperatuurbestendigheid boven de 150 °C niet vereist is en er ook geen bijzondere eisen worden gesteld op chemische, olie- en vetbestendigheid, dan zou PETG-CF je beste keuze kunnen zijn. PA6-CF is het materiaal bij uitstek voor automotive, energie en olie en voor industriële sectoren.

DURABIO - BUIGTEST

PETGCF - BUIGTEST

PETG-CF is een duidelijke koploper wat de stijfigheid betreft. In de buigtest kan je zien hoe snel en scherp het breekt vergeleken met ABS of DURABIO.

TENSILE MODULUS CHART (MPA)

Aan de andere kant hebben we PA12 dat het moeilijkst breekt. Het is het kneedbaarst en bestendigst materiaal. Puur nylon kan in 80% van de gevallen kunststof vervangen.

PP - BUIGTEST

PA12 - BUIGTEST

Nu kunnen we er niet omheen ook flexibele en elastische materialen te benoemen, namelijk PP en TPU.

IMPACTSTERKTE VAN 3D-GEPRINTE ONDERDELEN.

Hoge impactbestendigheid kan vereist zijn in enige toepassingen. Deze bestaat niet bij alle polymeren. PETG-CF bijvoorbeeld is zeer stijf maar biedt maar 5 kJ/m2 impactsterkte en is een van de breekbaarste materialen. PETG-CF is een uitstekende keuze voor toepassingen die hoge stijfheid vereisen zonder dat het onderdeel mechanisch sterk belast wordt. Robotics-toepassingen met lineaire bewegingen, zelfgemaakte 3D printers, light-duty CNC en lasergraveermachines zijn een paar voorbeelden.

"Charpy impactweerstandmeting" of kerfslagproef is een van de methoden gevoeligheid voor brosse breuk van een materiaal te meten. Deze methode is eenvoudig en geeft een goede indicatie van de schokgevoeligheid van het materiaal. Op Wikipedia zijn meer details te vinden over de methode.

Charpy impact Chart (KJ/m²)

Nylons winnen duidelijk in slagvastheid. Hun slagvastheid is vergelijkbaar met die van de meeste ongevulde polymeren, ze hebben de 8-voudige slagvastheid van een typisch PLA en bijna de 3-voudige van het ABS. Als je ooit een onderdeel had, dat geprint was van PLA, ABS, PETG of een ander materiaal en dat kapot ging, probeer PA12. Een ander voordeel van nylon is zijn extreme laaghechtigheid. Als je voordelig wilt printen dan zal DURABIO of PC-ABS de beste optie zijn.

TEMPERATUUR (°C)

Over temperatuur is het makkelijk te spreken. Tenzij je PLA gebruikt, dat in het zonlicht snel zacht wordt en vervormt, wees voorzichtig als je onderdelen laat printen die tijdens het gebruik sterk belast worden.

Bij het kiezen van het materiaal adviseren wij eerst de benodigde temperatuurbestendigheid te kiezen, en dan de slagvastheid of treksterkte, afhankelijk van wat belangrijker is voor je toepassing.

DICHTHEID

Zoals bij de temperatuur is er niet veel te begrijpen over de dichte. Als je een automotive of een droneonderdeel gaat laten printen, dan zou je je materiaalkeuze eventueel opnieuw moeten overwegen. De materiaaldichte zal namelijk het gewicht van het resultaat bepalen. Een in deze samenhang interessant mengsel is PP-GF, een ultralicht materiaal met een dichte van slechts 0,75 g/cm3.

GRAFIEK DICHTE (g/cm3)

Vergelijking tussen de gewichten van hetzelfde onderdeel, geprint met dezelfde instellingen van PLA en PP-GF.

Droneonderdeel geprint van PLA

Droneenderdeel geprint van PP-GF

Conclusion

Wij hopen dat we het duidelijk konden maken hoe verschillend 3D-printing materialen zijn, hoe uniek en exotisch ze kunnen zijn. 3D-geprinte onderdelen kunnen zeer robust zijn en in industriële toepassingen gebruikt worden. Met name als ze geproduceerd worden met het oog op de ontwerprichtlijnen van Additive Manufacturing.
PA6-CF is een duur high-end materiaal. Het presteert in alle opzichten beter dan alle andere materialen. Natuurlijk zal je je ABS-onderdeel niet zo snel vervangen met een van dit materiaal vanwege zijn hoge prijs. Maar als je de hoogste kwaliteit nodig hebt, dan is dat wel een optie. We hebben het niet over de visuele kwaliteit gehad omdat FDM niet onze eerste keuze is wat de visuele kwaliteit betreft, maar er zijn wel een paar kandidaten die ook visueel heel goed presteren:

• PETG-CF (geeft een mooi poederig gevoel van het oppervlak en helpt de zichtbaarheid van de lagen te verminderen)

• ASA (mooi mat oppervlak met een gladde verschijning)

De volgende keer gaan we het over de chemische en UV-bestendigheid hebben.
Stay tuned!