Stärken von drei Materialien kombinieren, um 3D-Verbundkomponenten zu bilden

In einem Artikel mit dem Titel „On the 3D printing of recycled ABS, PLA and HIPS thermoplastics for structural applications“ diskutiert eine Forschergruppe den 3D-Druck mit mehreren Materialien für strukturelle Anwendungen. Die verwendeten Materialien sind recyceltes ABS, PLA und HIPS, um Verbundteile herzustellen. Es ging darum, die Materialien so zu kombinieren, dass die endgültige Komponente von den jeweiligen Festigkeiten jedes Materials profitiert.

“ABS ist von Natur aus amorph und weist eine hohe Schlagfestigkeit auf”, so die Forscher. “Niedrige Wärmeleitfähigkeit, Wärmebeständigkeit und Zähigkeit, biologische Abbaubarkeit und Biokompatibilitäten sind die Hauptvorteile von PLA, während HIPS ein Strukturpolymer mit geringer Festigkeit ist, das bei geringen Kosten bessere Bearbeitbarkeit und Herstellungseigenschaften aufweist.”

Die Forscher druckten die Probekomponenten aus jeweils vier Schichten. Anschließend wurden die Komponenten getestet, einschließlich der Charakterisierung des MFI, der DSC-Analyse (Differential Scanning Calorimetric), der Zugversuche, der Messung der thermischen Leitfähigkeit nach Lee, der Biegetestung und der Pull-Out-Prüfung. Es wurde festgestellt, dass ABS, PLA und HIPS durch DSC-Tests miteinander kompatibel waren, wobei alle von ihnen ähnliche Bereiche des integralen Wärmewerts aufwiesen.

“Da die praktische Anwendung die Forderung nach maximaler Festigkeit bei minimaler Dehnung erfordert, hatten HIPS die höchstmögliche Dehnung und PLA die gewünschten Zugfestigkeitswerte”, so die Forscher weiter. “Nach dem 3D-Druck von Multimaterialkomponenten wurde beobachtet, dass die Zugfestigkeits- und Dehnungswerte aller gedruckten Multimaterialkomponenten zwischen den HIPS und ABS beobachtet wurden, was die Nützlichkeit der vorliegenden Studie belegt.”

Einige Schlussfolgerungen wurden aus der Studie gezogen, wie von den Forschern festgestellt:

• • Im Zugversuch wurde der Young’sche Modul der Mehrstoffkomponente (325 MPa) bei Versuch Nr. 3 höher beobachtet als der einzelne Thermoplast (Young’scher Modul von PLA 47,9 MPa, ABS von 175 MPa und für HIPS 112,5 MPa).

• • Auszugsuntersuchungen haben gezeigt, dass Dehnungs- und Festigkeitseigenschaften des 3D-Drucks durch Multi-Material-Druck bei vorhergesagter Eingabeverarbeitungseinstellung gesteuert werden können. Es wurde festgestellt, dass die Bruchdehnung von Multimaterialkomponenten im Vergleich zu ABS und PLA geringer war. Gleichzeitig wurden bei Zugversuchen Bruchlast und Bruchfestigkeit größer als HIPS beobachtet.

• • Beim 3D-Druck von Multimaterialkomponenten bei vorhergesagten Einstellungen wurde festgestellt, dass die Biegefestigkeit mit 2,96 MPa höher als das Material HIPS (2,01 MPa), aber niedriger als PLA (9,07 MPA) und ABS (7,04 MPa) war.

• • Es wurde festgestellt, dass PLA eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2225 W/m.K, ABS von 0,1722 W/m.K und HIPS von 0,3232 W/m.K hatte. Für strukturelle Anwendungen muss die Wärmeleitfähigkeit minimal sein. Das Bedrucken dieser Materialien mit mehreren Materialien führte zu einer Wärmeleitfähigkeit von 0,2732 W/m.K (dt/dT = 0,814 K/s), die geringer war als das HIPS-Material, und es zeigt den Nutzen des 3D-Druckens mit mehreren Materialien.

Insgesamt waren die drei Materialien miteinander kompatibel, und ihre Stärken arbeiteten zusammen, um Verbundkomponenten zu erzeugen, die Einzelkomponenten überlegen waren. Mit der zunehmenden Komplexität von 3D-Druckern und der besseren Zugänglichkeit von Druckern mit Multimaterialfunktionen wird es einfacher, Verbundkomponenten wie diese für Funktionsanwendungen, die von den besten Eigenschaften von ABS, PLA und HIPS profitieren, zu drucken.

Autoren der Arbeit sind Ranvijay Kumar, Rupinder Singh und Ilenia Farina.