Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

9 сентября 2024
0 комментариев

На заре экструзионной 3D-печати любителям были доступны всего два варианта расходных материалов — полилактид (PLA) и акрилонитрилбутадиенстирол (ABS). С тех пор выбор филаментов заметно расширился, но два «старичка» не теряют актуальности благодаря доступности и сильно отличающимся свойствам.

Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

ПЛА обычно рассматривается как модельный полимер, подходящий в основном для беспроблемной 3D-печати игрушек, сувениров, макетов, декора и прочей всячины, отдаленной от инженерии. С АБС все ровно наоборот: это довольно сложный в обращении (да еще и вонючий при нагревании) полимер, но с замечательным набором физико-механических свойств, отсюда и его популярность в промышленности. Шансы таковы, что клавиатура и корпус мышки под руками читателя изготовлены именно из этого пластика.

В принципе, все так и есть, но для ясности давайте рассмотрим оба материала чуть подробнее бок о бок.

Содержание:

  1. Прочность на разрыв
  2. Ударная вязкость
  3. Стойкость к ультрафиолету
  4. Химическая стойкость
  5. Теплостойкость
  6. Гигроскопичность
  7. Токсичность
  8. 3D-печать
  9. Постобработка

1. Прочность на разрыв

Предельная прочность на разрыв — максимальное механическое напряжение, выдерживаемое материалом при растяжении. Прочность на разрыв измеряется с помощью приборов, называемых разрывными машинами. Лабораторными образцами обычно служат лопатки, также называемых «восьмерками» ввиду специфичной формы.

Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

Примеры разрывных машин

ПЛА обладает более высокой предельной прочностью на разрыв, чем АБС при сравнительных испытаниях образцов одних и тех же размеров — 34,8 МПа вдоль слоев против 29,6 МПа. В то же время стоит учитывать, что ПЛА — более плотный материал. Плотность ПЛА составляет 1,25 г/см^3 против 1,05 г/см^3 у АБС, то есть примерно на двадцать процентов выше. Получается, что в перерасчете на массу предел прочности двух материалов почти одинаков, с небольшим преимуществом на стороне АБС.

Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

3D-печатные лопатки из ПЛА после испытаний на разрыв

Прочность при растяжении поперек слоев зависит уже не только от прочности самого материала, но и когезии (схватывания) слоев. Здесь преимущество на стороне ПЛА: этот полимер менее привередлив при 3D-печати, тогда как АБС требует более строгого контроля температур экструзии и рабочего объема. При работе с АБС всегда настоятельно рекомендуется использовать 3D-принтеры с закрытыми рабочими камерами, а желательно и термостатированными, то есть с активным подогревом. Подогреваемые столики при работе с АБС абсолютно необходимы.

2. Ударная вязкость

Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию под действием ударной нагрузки. Этот параметр в основном измеряется двумя методами — по Изоду или по Шарпи. И в том, и в другом случае используются образцы с надрезами, по котором бьет маятник-молоток (маятниковый копер), но при испытаниях по Изоду образцы крепятся вертикально, и маятник бьет по верхней части стороны с надрезом, а по Шарпи — горизонтально, а молот бьет посередине со стороны, противоположной надрезу. Надрезы нужны для концентрации напряжений — это повышает точность измерений.

Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

Схема испытаний по Шарпи и Изоду

По ударной вязкости АБС значительно выигрывает у ПЛА: в тестах по Шарпи REC ABS показал 180,14 кДж/м^2, тогда как REC PLA — только 5,62 кДж/м^2. Отсюда и репутация ПЛА как жесткого, но при этом хрупкого полимера. Для нагруженных деталей и защитных корпусов гораздо лучше подходит REC ABS.

3. Стойкость к ультрафиолету

АБС обладает несколько более высокой стойкостью к ультрафиолетовому излучению, но далеко не идеальной: на открытом воздухе и без защитных покрытий оба материала будут постепенно разрушаться и терять прочность под воздействием солнечного света. Здесь стоит обратить внимание, что у АБС есть один родственник, гораздо более стойкий к ультрафиолету — акрилонитрилстиролакрилат (АСА), предлагаемый нашей компанией под наименованием REC Eternal. По физико-механическим характеристикам и требованиям в ходе 3D-печати АБС и АСА полностью аналогичны, но АСА намного более долговечен на открытом воздухе.

4. Химическая стойкость

АБС в целом обладает хорошей химической стойкостью к щелочам, смазочным маслам, растворам неорганических солей и кислот. В то же время этот полимер хорошо растворяется в ацетоне, что можно использовать при склеивании деталей или для сглаживания поверхностей 3D-печатных изделий. Про «ацетоновые бани» читайте в материале по этой ссылке.

Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

Модель из АБС до и после обработки ацетоновыми парами

ПЛА стоек к ацетону, спиртам, горюче-смазочным материалам и большинству кислот. В качестве растворителя при постобработке — склеивании и сглаживании — обычно используется дихлорметан. Как вариант, можно использовать D-лимонен. Подробно про постобработку ПЛА читайте в статье по этой ссылке.

Сравнительная стойкость разных полимеров к разным химическим веществам показана в специальной таблице.

5. Теплостойкость

Низкая теплостойкость — один из главных недостатков полилактида. Этот полимер обладает довольно низким коэффициентом трения, но легкоплавкость в комбинации с высокой хрупкостью препятствуют применению полилактида в производстве механических деталей, если только речь не идет об игрушечных механизмах или примерочных прототипах. Аналогичным образом температура размягчения в районе всего 50°С ограничивает применение полилактида на открытом воздухе, так как материал может просто «поплыть» на солнце.

Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

Полилактид может расплавиться даже на открытом солнце

Температуру размягчения полилактида можно повысить примерно до 85°С отжигом, причем в домашних условиях. Как это делается, рассказывается в отдельной статье.

АБС, с другой стороны, выдерживает эксплуатационные температуры примерно до 90-100°С, в зависимости от силы и продолжительности нагрузок, так что хорошо подходит для 3D-печати функциональных деталей.

6. Гигроскопичность

По гигроскопичности, то есть способности впитывать влагу, оба материала особым образом не выделяются: и ПЛА, и АБС умеренно гигроскопичны, а потому требуют хранения в сухом месте — в плотно закрытом пакете или герметичном контейнере с силикагелем.

Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

Примеры 3D-печати влажным и сухим филаментом

Непосредственно перед 3D-печатью расходные материалы крайне рекомендуется просушивать, особенно при работе во влажном климате, где возможно образование росы на поверхности филамента. Это поможет избежать самых разных неприятностей — от недостаточной межслойной адгезии до вскипания расплава в хотэнде. Подробно про хранение и просушивание филаментов читайте в отдельных статьях — здесь и здесь.

7. Токсичность

Бытует мнение, что ПЛА — полностью безопасный биопластик, тогда как АБС токсичен. На самом деле все немного сложнее. Да, полилактид синтезируется на растительной основе и в чистом виде нетоксичен и даже биоразлагаем, но все зависит от бренда: по воле производителя филамент вполне может содержать опасные красители и другие токсичные добавки. Наш ПЛА прошел тестирование на пищевую безопасность и имеет соответствующий сертификат.

Биоразлагаемость и экологичность полилактида — отдельная, весьма спорная тема. Да, чистый полимер нетоксичен и со временем будет деградировать, но для быстрого разложения — в течение недель или месяцев — требуется горячее компостирование. В противном случае пластик может продержаться годы, хоть и с потерей массы и прочности.

Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

Токсичность АБС тоже зачастую преувеличивается. Основную опасность представляет один из компонентов полимера — ядовитый стирол, выделяемый при термическом разложении полимера. С другой стороны, пиролиз АБС требует сильного нагревания: в промышленных условиях пиролитическая переработка проводится при температурах свыше 300°С. Наибольшую опасность представляют несвязанные мономеры стирола, но после переработки гранулята в филамент, а затем нагревания при 3D-печати концентрации остаточного стирола, как правило, ничтожны.

В любом случае, использовать АБС в 3D-печати посуды и пищевых контейнеров не рекомендуется. Для этого есть безопасные, сертифицированные варианты — полилактид REC PLA, полиэтилентерефталатгликоль REC Relax и полипропилен REC PP, а также высокотемпературные полисульфон REC PSU и полиэфирэфиркетон REC PEEK. С сертификатами можно ознакомиться в специальном разделе нашего сайта.

Более того, мы всегда рекомендуем печатать в хорошо проветриваемых помещениях, либо на рабочих местах, оборудованных вытяжкой, вне зависимости от используемого полимера.

8. 3D-печать

В плане требований к оборудованию и настройкам 3D-печати ПЛА и АБС сильно разнятся. Многие недостатки PLA компенсируются как раз простотой работы с этим материалом, тогда как АБС намного более привередлив.

Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

ПЛА прост в работе и не требует дорогого оборудования

Сверхмощные хотэнды ни в том, ни в другом случае не требуются. ПЛА экструдируется при температурах 200-220°С, тогда как АБС требует 240-270°С. Большинство любительских 3D-принтеров, даже самые бюджетные модели, справятся без труда.

Проблематичнее фоновый температурный контроль. ПЛА демонстрирует очень низкую усадку, а потому не требует дополнительного подогрева. Зачастую можно обойтись даже без подогреваемых столиков, хотя при наличии подогреваемой платформы можно выставить температуру не выше 60°С. Дополнительно повысить адгезию помогут клеи или малярный скотч. ПЛА довольно медленно остывает и отверждается, поэтому рабочий объем желательно держать открытым и использовать сильный обдув укладываемых слоев, особенно на высоких скоростях и при построении навесных структур и мостиков.

Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

При работе с АБС желательно использовать 3D-принтеры с закрытыми камерами

АБС наоборот сильно усаживается, что может приводить к закручиванию слоев, особенно по углам, и даже отрыву моделей от столика во время 3D-печати. Клеи помогают, однако помимо адгезионных средств необходим и нагрев столика примерно до 90-100°С. Наличие 3D-принтера с закрытой камерой крайне желательно, так как закрытый рабочий объем помогает поддерживать повышенные фоновые температуры и тем самым бороться с преждевременной усадкой. Еще лучше использовать 3D-принтеры с термостатированными, активно подогреваемыми камерами, например аддитивные системы Picaso семейства Designer X Series 2. Обдув слоев желательно отключать — это поможет более крепкой когезии и прочности итоговых изделий.

Также имейте в виду, что при работе с АБС желательно использовать цельнометаллические хотэнды, так как тефлоновые ставки начинают разрушаться при температурах свыше 250°С.

9. Постобработка

АБС отлично поддается механической обработке — шлифованию, сверлению и так далее. Для сглаживания поверхностей можно использовать ацетон, наносимый кистью или парами в так называемых ацетоновых банях. Для склеивания можно использовать раствор АБС в ацетоне, часто именуемый «АБС-соком».

Классические филаменты: сравниваем ПЛА и АБС

ПЛА довольно жесток и легкоплавок, что несколько осложняет механическую обработку. При шлифовании желательно использовать «мокрый» метод, то есть смачивать обрабатываемые поверхности и наждачную бумагу водой для отвода тепла, иначе при нагревании трением полимер станет вязким. В качестве растворителя и клея можно использовать дихлорметан, но не забывайте хорошенько проветривать рабочее помещение.

Остались вопросы? Свяжитесь с нами, и специалисты REC будут рады предоставить подробную консультацию по выбору расходных материалов и оборудования под конкретные производственные задачи.



Вам будет интересно