Chemische Beständigkeit von Materialien für den 3D-Druck
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Mit dem wachsenden Interesse am 3D-Druck kommen neue Materialien auf den Markt – und mit ihnen neue Mittel und Möglichkeiten für den Einsatz von 3D-Druckern. Häufig werden die gedruckten Objekte im Freien eingesetzt, wo sie Wind und Regen, UV-Licht oder – in der Industrie – harten mechanischen Belastungen standhalten müssen. Oft werden die gedruckten Objekte auch verschiedenen Chemikalien ausgesetzt.
Deshalb haben wir beschlossen, die chemische Beständigkeit von gedruckten Materialien im Detail zu untersuchen. Wir zeigen Ihnen chemisch resistente Polymere und Sie erfahren, wie sich der Kontakt mit Chemikalien auf die Haltbarkeit der Materialien auswirkt.
Prusament PLA, PVB, PETG, ASA und PC-Blend wurden mit verschiedenen chemischen Substanzen behandelt: Wir haben diejenigen ausgewählt, die gängig sind und mit denen man sicher arbeiten kann.
Wir glauben, dass unsere Tests Ihnen helfen werden, das richtige Material für Ihre Bedürfnisse auszuwählen.
Wo werden chemisch resistente Materialien verwendet?
Die Fähigkeit von Materialien, bestimmten Chemikalien zu widerstehen, ist in der Industrie sehr wichtig: In der Fertigungs- und Automobilindustrie sind die Endprodukte oft vielen aggressiven Stoffen ausgesetzt. Teile für Fertigungsstraßen kommen häufig mit Schmiermitteln und Reinigungsprodukten in Kontakt. Autokomponenten sind – abgesehen von Schmiermitteln und Ölen – Pflegesubstanzen ausgesetzt.
Die pharmazeutische und die Lebensmittelindustrie verlangen chemische Stabilität der verwendeten Materialien. Und weil die neuen Filamente widerstandsfähig und stabil sind, finden Sie auch in diesen Branchen Verwendung für den 3D-Druck und gedruckte Teile.
Chemische Beständigkeit von Polymeren
Chemische Beständigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, einer chemisch aggressiven Umgebung zu widerstehen. Heute gibt es ein breites Spektrum an Polymeren, die Säuren, Lösungsmitteln, Alkohol oder heißem Wasser und anderen Substanzen widerstehen können. Dieser Artikel behandelt die am häufigsten verwendeten Polymere für den 3D-Druck – und sie sind meist für den Einsatz unter anspruchsvollen Bedingungen geeignet.
Schlüsselfaktoren, die die chemische Beständigkeit von Polymeren beeinflussen
Molekulare Struktur des Polymers
Die chemische Beständigkeit von Kunststoffen hängt in erster Linie von der physikalischen und chemischen Struktur des Polymers und der chemischen Zusammensetzung des Stoffes ab. Polymere, die für den 3D-Druck verwendet werden, haben Ketten, die nach dem Abkühlen entweder in einer amorphen (ungeordneten) oder halbkristallinen (teilweise geordneten) Phase gebildet werden. In der teilkristallinen Phase sind die geordneten Segmente von ungeordneten Kettenclustern umgeben. Das Verhältnis dieser Segmente (als Kristallinität bezeichnet) beeinflusst die Temperaturbeständigkeit, Festigkeit und Zähigkeit des Polymers. Es wirkt sich auch auf die Widerstandsfähigkeit des Polymers gegen chemische Aggressivität aus. So ist ein stärker kristallines Polymer widerstandsfähiger gegen eine aggressive Substanz als ein weniger kristallines Polymer. Die Ausrichtung der Polymerbindungen und das Vorhandensein von Füllstoffen im Material können ebenfalls einen Einfluss haben.
Die Fähigkeit eines Materials, einer chemisch aggressiven Umgebung standzuhalten, hängt nicht nur von seiner chemischen Beständigkeit ab, sondern auch von anderen Faktoren, die das Material belasten: Dazu gehören die mechanische Belastung, die physikalische Absorption der Substanz durch das Material oder die Temperatur. Diese Parameter können die Anforderungen an die Materialauswahl erheblich beeinflussen.
Wenn das Material nicht chemisch beständig ist, besteht die Gefahr eines schnellen Abbaus seiner Polymerverbindungen, wenn es mit einer aggressiven Substanz in Kontakt kommt. Die Folge ist eine geringere Zugfestigkeit, eine geringere Schlagzähigkeit und eine kürzere Lebensdauer des Materials – all dies kann zu einem Versagen der Komponente führen.
Absorption der Substanz
Wenn ein Polymer eine chemische Reaktion erfährt, wird die Struktur der Polymerkette verändert. Wenn eine Substanz physikalisch von dem Polymer absorbiert wird, wird die Kette nicht beeinträchtigt, sondern die Substanz wird in den Kunststoff aufgenommen, ähnlich wie ein Schwamm, der Wasser aufsaugt. Im Inneren kann die Chemikalie zu Veränderungen des Gewichts, der Beweglichkeit der Polymerketten und der Abmessungen der Kunststoffkomponente führen. Dies kann sich auch als Erweichung oder umgekehrt als Versprödung des Kunststoffs äußern.
Temperatur
Die meisten Diffusionsprozesse sind temperaturabhängig. In der Praxis bedeutet dies, dass der chemische Abbau von Polymeren mit steigender Temperatur der Substanz exponentiell zunimmt. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Temperatur der Substanz, desto geringer ist die Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber der Umgebung. So lässt sich beispielsweise beobachten, dass dasselbe Material in kaltem Wasser widerstandsfähiger ist als in heißem Wasser bei gleicher Konzentration und Expositionsdauer.
Konzentration der chemischen Substanz
In den meisten Fällen beschleunigt eine Erhöhung der Konzentration des Wirkstoffs den Abbau des Polymers.
Mechanische Belastung, die auf das Material einwirkt
Mechanische Belastung ist ein wichtiger Faktor, wenn das Material chemisch aggressiven Umgebungen ausgesetzt ist. Die Belastung eines Materials in einer chemisch aggressiven Umgebung kann zum Aufbrechen kovalenter Bindungen führen, auch wenn die Belastung unterhalb der Streckgrenze des Materials liegt. Es bilden sich Risse, die weiter in die Tiefe des Materials eindringen, was zu einem Versagen der Integrität führen kann.
3D-Modellentwurf
Ein weiterer wichtiger Parameter bei 3D gedruckten Modellen ist das Design und die Qualität des gedruckten Modells. Ätzende Substanzen können in das gedruckte Objekt eindringen und seine Lebensdauer erheblich verkürzen. Daher ist es wichtig, das richtige Material und die richtigen Druckparameter für das Modell zu wählen.
Chemische Beständigkeit von häufig verwendeten Materialien für den 3D-Druck
Im Allgemeinen sind technische Materialien am beständigsten gegen Chemikalien: Zu den Materialien mit ausgezeichneter chemischer Beständigkeit gehören PP (Polypropylen), PA (Polyamid, Nylon), PE (Polyethylen), PEEK (Polyetheretherketon), PTFE (Polytetrafluorethylen, Teflon), PVC (Polyvinylchlorid) oder PVDF (Polyvinylidenfluorid).
Materialien mit guter chemischer Beständigkeit sind PC (Polycarbonat), TPU, PETG, ASA oder ABS. Die Beständigkeit dieser Materialien hängt jedoch von der jeweiligen Umgebung, der Umgebungstemperatur und anderen Arten von Belastungen ab. ABS-Material zersetzt sich zum Beispiel sehr schnell in Aceton.
Materialien ohne technische Eigenschaften – wie PLA, PVB – sind nicht für den Einsatz in chemisch aggressiven Umgebungen – Säuren, Alkohole usw. – geeignet.
Tabelle der chemischen Verträglichkeit von Kunststoffen und ihrer chemischen Beständigkeit
Nachfolgend finden Sie eine indikative Tabelle der am häufigsten verwendeten Polymere für den 3D-Druck, die in verschiedenen Chemikalien getestet wurden. Anhand der Resistenzeinstufung von A bis D lässt sich feststellen, welches Polymer für die Verwendung in einer bestimmten Substanz geeignet ist. Die Tests wurden bei 23 °C durchgeführt.
* Fridex ist der Industriename für eine chemische Verbindung, die in Frostschutzmitteln für Automobile verwendet wird. Es handelt sich um ein konzentriertes Kühlmittel auf der Basis von Ethylenglykol.
** Savo ist ein Reinigungs- und Desinfektionsmittel. Das Desinfektionsmittel ist Natriumhypochlorit, 4,7 g / 100 g.
Bewertung:
A – Sehr gut widerstandsfähig. Das Polymer schmilzt nicht, nimmt keine Substanz auf und quillt auch nach einer Woche Eintauchen nicht auf (weniger als 1 % Gewichts- und Maßänderung).
B – Mäßig bis gut widerstandsfähig. Leichte Schwellung oder Gewichtsveränderung (2 – 3% Gewichts- oder Maßveränderung).
C – Schlecht widerstandsfähig. Bei längerer Einwirkung des Polymers kommt es zu einer signifikanten Quellung und Gewichtsveränderung der Testprobe (4-5% Gewichts- oder Maßänderung).
D – Hält nicht stand. Eine rote Farbe deutet auf eine erhebliche Gewichtsveränderung, eine starke Quellung (Veränderung des Gewichts oder der Abmessungen um mehr als 5%) oder eine vollständige Zerstörung der Faser hin (2).
Die Daten für die Bewertung der Polymere stammen aus unseren Messungen unter Laborbedingungen und aus einer wissenschaftlichen Veröffentlichung (1)
Für eine genauere Analyse der Ergebnisse sind umfangreichere Labortests erforderlich. Die Haltbarkeit des Materials und seine chemische Beständigkeit wird nicht nur von der Substanz selbst beeinflusst, sondern auch von Umwelteinflüssen wie Temperatur, Konzentration der Substanz, mechanische Belastung des Bauteils und anderen oben genannten Faktoren.
Chemische Beständigkeitstests von Prusament PLA, PVB, PETG, ASA, PC Blend
Die Widerstandsfähigkeit der einzelnen Materialien variierte in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Umgebung, der sie ausgesetzt waren. Der Einfluss der Umgebung auf die Widerstandsfähigkeit des Materials wurde gemessen. Zwei Eigenschaften des Materials – seine Festigkeit und seine Zähigkeit – wurden genauer verglichen.
Testverfahren
Mehr als 400 Probekörper wurden für jedes Material gedruckt, einer chemischen Belastung ausgesetzt und anschließend einer Charpy-Zugfestigkeits- und Schlagfestigkeitsmessung unterzogen. Die Zugfestigkeit wurde gemäß ISO 527 auf einer Universalprüfmaschine gemessen. Die Schlagzähigkeit wurde in Übereinstimmung mit ISO 179 gemessen.
Das Modell der Testkörper wurde mit dem Programm PrusaSlicer erstellt. Der G-Code enthielt die Druckeinstellungen für das Prusament Materialprofil für das gegebene Material – nämlich Prusament PLA, Prusament PETG, Prusament ASA, Prusament PC Blend und Prusament PVB, Infill 100%, 2 Perimeter, Schichthöhe 0,2 mm. Die Ausrichtung des Modells auf dem Druckbett erfolgte in der XY-Achse.
Alle Materialien wurden in neun Substanzen getestet, die unterschiedliche chemische Zusammensetzungen aufwiesen – Wasser, Ethanol (EtOH), Isopropylalkohol (IPA) 75% und 99%, Essig 8% (dessen Hauptbestandteil Essigsäure ist), Kochsalz (NaCl) 10%, Zitronensäure (C6H8O7), Fridex (Ethylenglykol) und Savo (enthält Natriumhypochlorit als Wirkstoff). Gemischt mit Wasser im Verhältnis 1:10).
Das Material wurde bei einer Raumtemperatur von etwa 23° in vier Zeitintervallen – 1 Stunde, 7 Stunden, 24 Stunden und 7 Tage – der chemischen Umgebung ausgesetzt.
Testergebnisse
Die aus den Messungen der Zugfestigkeit und der Kerbschlagzähigkeit gewonnenen Daten werden grafisch dargestellt. Die erhaltenen Werte wurden in Prozentsätze umgerechnet – es ist also möglich zu sehen, wie sich die Materialeigenschaften in Abhängigkeit von der Expositionszeit und der chemischen Umgebung verändern. Die Zunahme oder Abnahme der chemischen Beständigkeit in einer bestimmten Umgebung lässt sich anhand der prozentualen Veränderungen in den Diagrammen nachvollziehen. Um die Veränderung der Festigkeit oder Zähigkeit des Materials mit dem Ausgangswert zu vergleichen, wird in jedem Diagramm eine Testprobe (Standard genannt) gezeigt, die keiner Chemikalie ausgesetzt war. Der Druck des Standards wurde unter den gleichen Bedingungen durchgeführt.
PLA
Zugfestigkeit:
Anfangswert: 55 MPa = 100%
Anhand der Werte in der Grafik lässt sich feststellen, dass die Zugfestigkeit von PLA bei Kontakt mit Wasser leicht abnimmt. Der Rückgang der Festigkeit war in aggressiveren Umgebungen stärker ausgeprägt. Bei Kontakt mit Fridex (Ethylenglykol) wurde nach 1 Stunde eine schnelle Abnahme der Festigkeit festgestellt. Eine allmähliche Abnahme der Festigkeit trat bei Kontakt mit IPA nach mehr als 24 Stunden ein. Als das PLA-Material in Aceton getaucht wurde, brach der Testkörper zusammen.
Schlagzähigkeit (nach Charpy):
Anfangswert: 15 kJ/m2 = 100 %
Die Schlagzähigkeit von PLA war etwas höher, wenn es mit weniger aggressiven Umgebungen in Kontakt kam. Eine stärkere Abnahme der Zähigkeit trat auf, wenn es Fridex (Ethylenglykol) und Savo ausgesetzt war.
PVB
Zugfestigkeit:
Anfangswert: 52 MPa = 100 %
Das PVB-Material erwies sich als sehr saugfähig und seine Festigkeit wurde dadurch beeinträchtigt. Bei den weniger aggressiven Materialien gab es keine schnelle Abnahme der Festigkeit, aber der Trend zeigte, dass die Festigkeit mit der Zeit abnahm. Bei Kontakt mit den Substanzen Ethanol, IPA und Aceton erweichte der Testkörper und löste sich nach 1 Stunde teilweise auf, nach längerer Einwirkung brach er zusammen. Diesen Substanzen widerstand das PVB nicht, daher war es nicht möglich, die Proben zu messen.
Schlagzähigkeit (nach Charpy):
Anfangswert: 54 kJ/m2 = 100 %
Das PVB-Material zeigte eine geringe chemische Beständigkeit und eine erhebliche Benetzung. Dies führte zu einer Erhöhung der Schlagzähigkeit bei allen getesteten Stoffen. Die Substanzen Ethanol, IPA und Aceton zerstörten die Struktur der Testkörper vollständig. Auch hier waren die Testkörper nach nur 1 Stunde Einwirkung für weitere Messungen unbrauchbar.
PETG
Zugfestigkeit:
Anfangswert: 47 MPa = 100 %
Bei PETG änderte sich die Zugfestigkeit bei Kontakt mit Aceton erheblich. Bei den anderen Substanzen weicht die Festigkeit um ein paar Prozent ab. Deutlichere Veränderungen traten nach längeren Expositionszeiten auf. Während der 7-tägigen Einwirkung der Substanz nahm die Festigkeit des in Ethanol, IPA 75% und IPA 99% sowie Aceton getauchten Testkörpers ab.
Schlagzähigkeit (nach Charpy):
Anfangswert: 65 kJ/m2 = 100 %
Die Schlagzähigkeit von PETG blieb nur bei Kontakt mit Wasser fast unverändert. Bei Kontakt mit Savo blieb der Zähigkeitswert nach 24 Stunden fast unverändert. Bei längerer Einwirkungszeit nahm sie jedoch ab und fiel auf Werte um 92%. Bei den anderen Substanzen war ein signifikanter Rückgang der Zähigkeit zu verzeichnen. Bei IPA, Essig, Aceton und Fridex ist die Abnahme der Zähigkeit am stärksten ausgeprägt.
ASA
Zugfestigkeit:
Anfangswert: 42 MPa = 100 %
Das ASA war resistent gegen Substanzen wie Wasser, Zitronensäure, Fridex, Savo, auch bei längerer Einwirkungszeit. Eine deutlichere Abnahme der Zugfestigkeit trat in Ethanol, IPA 75% und IPA 99% auf. In Aceton kollabierte der Testkörper, so dass die Messung nicht durchgeführt werden konnte.
Schlagzähigkeit (nach Charpy):
Anfangswert: 25 kJ/m2 = 100 %
Die Schlagzähigkeit von ASA nahm ab, wenn es in chemisch aggressiven Umgebungen verwendet wurde. Anhand der Grafik können wir den Verlust der Zähigkeit vergleichen, der bei NaCl 10% nach 24 Stunden Exposition am stärksten ausgeprägt war. Das Gegenteil gilt jedoch für die Zähigkeitswerte, die für die Proben gemessen wurden, die Ethanol, IPA 75% oder Zitronensäure ausgesetzt waren, wo die Zähigkeit im Vergleich zum Wert der Testprobe (Standard) fast beibehalten wurde. Das ASA-Material ist nicht beständig gegen Aceton, so dass auch hier der Testkörper während der Exposition zusammenbrach.
PC Blend
Zugfestigkeit:
Anfangswert: 63 MPa = 100%
PC Blend erwies sich als ein festigkeitsstabiles Material, ist aber schlecht beständig gegen Aceton. Die Festigkeit nahm bei Kontakt mit Aceton nach 24 Stunden deutlich ab, und der Festigkeitsverlust war bei längerer Einwirkung stärker ausgeprägt.
Schlagzähigkeit (nach Charpy):
Anfangswert: 110 kJ/m2 = 100 %. Charpy 100/100. Es kann also festgestellt werden, dass die Schlagzähigkeit des Probekörpers höher als 110 kJ/m2 ist.
Der Wert 100% in der Grafik gibt die maximal messbare Energie für den Bruch des Testkörpers (Standard) an. In der Praxis bedeutet dies, dass die Norm und andere Prüfkörper mit einem Wert von 100% einen Hammerschlag von 4 J ohne Bruch oder signifikante Beschädigung überstanden haben. Unter Berücksichtigung der Abmessungen des Probekörpers kann argumentiert werden, dass die Schlagfestigkeit der Probekörper mit einem Wert von 100% höher als 100 kJ/m2 ist.
Schlussfolgerung
Prusament PC Blend ist eines unserer chemisch beständigsten Materialien. Seine hervorragenden Eigenschaften werden durch Tests der chemischen Beständigkeit bestätigt. Die Zugfestigkeit von PC Blend ist höher als die anderer Materialien und nimmt auch dann nicht wesentlich ab, wenn die gedruckten Teile ausgewählten Chemikalien ausgesetzt sind. Die Schlagzähigkeit von PC Blend ist deutlich höher, was das Material auch in chemisch anspruchsvollen Umgebungen beibehalten kann.
Anhand der Messergebnisse können wir vergleichen, wie sich die Einwirkung der Chemikalie auf die Festigkeit und Zähigkeit des Materials auswirkt.
Von den getesteten Materialien sticht PC Blend auch nach ausführlichen Tests eindeutig als das zäheste Material hervor.
Weitere Informationen über unsere Materialien finden Sie auf unserer Website prusament.com.