FDM-3D-Druck: ABS oder PLA? Was sind die Unterschiede?

Bei der Rapid Prototyping-Technologie Fused Deposition Modelling (FDM) sind zahlreiche thermoplastische Materialien verarbeitbar, größtenteils Kunststoffe. Für den 3D-Druck- Anwender stellt sich hierbei die Frage, welches Filament-Material für das zu druckende Bauteil am besten geeignet ist. Folgender Beitrag zeigt hierzu einen Vergleich der beiden marktbeherrschenden FDM/FFF-Materialien ABS und PLA. 

Dieser Vergleich basiert unter Anderem auf den Ergebnissen einer durchgeführten Projektarbeit der Fachhochschule Kaiserslautern, am Campus Pirmasens, in Zusammenarbeit mit „fabbmatic“. Fabbmatic (www.fabbmatic.com) ist ein Produkt der Fa. „vircom Informationstechnologie ltd.“ und im Vertrieb und der Konstruktion von 3D-Druckern tätig. Die dargestellten Werte repräsentieren Werte für Standard-PLA und Standard-ABS und stehen somit nicht für Eigenschaften spezieller PLA- und ABS-Filamente, wie bspw. „flexible-PLA“ o. Ä.

Bei der Wahl des richtigen Filamentmaterials wird in der Regel zwischen ABS und PLA entschieden. So stehen zwar zahlreiche, weitere Filamentsorten zur Verfügung, doch bezüglich der Druckqualität und des vielseitigen Einsatzgebietes von PLA und ABS, sind es in der Regel diese beiden Kunststoffe, welche für einen Einsatz in Frage kommen. Es sei erwähnt, dass für 3D-Druck-Einsteiger PLA-Filament besser geeignet ist, da es sich einfacher drucken lässt und beim Drucken keine nennenswerten Probleme auftreten. Bei ABS gestaltet sich das Drucken schon etwas schwieriger, hier treten einige Problemstellungen auf. Besonders zu erwähnen ist der sog. „Warp-Effekt“ (Abbildung). Darunter wird das Aufwölben eines Bauteils infolge unterschiedlicher Abkühltemperaturen der einzelnen Schichten – und der daraus resultierenden Eigenspannungen – verstanden.

Des Weiteren neigt ABS zu einer schlechteren Haftung auf der Bauplattform, während bei PLA diese Haftungsprobleme nicht auftreten. ABS ist für fortgeschrittene Anwender zu empfehlen, da hier gewisse Erfahrungswerte vorhanden sein sollten.

PLA

Bei Polylactid, kurz PLA (vom englischen Wort „polylactic acid“), handelt es sich um einen biologisch abbaubaren Kunststoff (Biopolymer), welcher aus nachwachsenden Rohstoffen – wie Maisstärke oder Zuckerrohr – hergestellt wird. Chemisch gesehen gehört PLA der Gruppe der Polyester an und besteht aus vielen aneinandergereihten Milchsäuremonomeren. Hergestellt werden Polylactide (Mz.) über katalytische Ringöffnungspolymerisation von Lactidmolekülen oder über Veresterung von Milchsäuremonomeren. Typische PLA- Erzeugnisse sind Verpackungsmaterialien, Folien, Dosen, Schalen oder Becher.

ABS

Bei Acrylnitril-Butadien-Styrol, kurz ABS genannt, handelt es sich um einen amorphen Thermoplasten, der sich durch hohe Festigkeitswerte, gute Medienbeständigkeit, hohe Härte und gute Kratzfestigkeit auszeichnet. Aufgebaut ist ABS aus drei verschiedenen Monomeren: Acrylnitril, (1,3-)Butadien und Styrol. Folglich zählt ABS zu den Terpolymeren. Der 1946 erstmals hergestellte Kunststoff besitzt in seiner „natürlichen Färbung“ gelblichen Charakter. Typische ABS-Erzeugnisse sind z. B. Lego®-Bausteine.

PLA vs. ABS

Die Schmelztemperaturen für PLA-Filamente liegen bei rund 160 – 190 °C (Tabelle) und somit deutlich unterhalb der Schmelztemperaturen von ABS mit etwa 210 – 240 °C. Die Verarbeitungstemperatur der Filamente sollte deutlich höher gewählt werden als deren Schmelztemperatur. So sind für PLA Düsentemperaturen von 180 – 210 °C sinnvoll. Für ABS sind Düsentemperaturen von 215 – 250 °C geeignet, die Heizbetttemperatur sollte hier zwischen 100 und 125 °C liegen. Bei PLA sollte eine Heizbetttemperatur von 50 – 70 °C gewählt werden. Die exakten Temperaturen sind vom verwendeten Filament und der Druckerdüse abhängig. Die Temperatur des Heizbetts muss hierbei stets unterhalb der Erweichungstemperatur des Filaments liegen, da sich das Bauteil ansonsten plastisch verformt. Bei PLA wird ein beheiztes Bett nicht zwingend benötigt, bei ABS hingegen ist es ein unverzichtbarer Bestandteil. Eine Nachbehandlung der Teile durch fräsen, bohren, drehen, beschichten, etc. ist bei ABS aufgrund der guten Schlagzähigkeits-Eigenschaften besser möglich als bei PLA.

PLA besitzt sehr gute mechanisch-physikalische Eigenschaften. Und sofern keine speziellen Anforderungen an das zu druckende Bauteil gestellt werden, wie z. B. extrem hohe Festigkeitswerte oder hohe Witterungsbeständigkeit für einen Außeneinsatz, hat sich PLA als zuverlässiges und gut druckbares Material bewährt. Im Allgemeinen ist PLA etwas härter und spröder (höherer E-Modul) als ABS, verbunden mit einer höheren Oberflächenhärte. ABS ist „weicher“, leichter plastisch verformbar und besser nachbearbeitbar. Diese Festigkeits- Unterschiede sind jedoch minimal. Weitere Eigenschaften beider Filament-Materialien sind folgenden Tabellen zu entnehmen.

Thermische Eigenschaften

Mechanisch-physikalische Eigenschaften

Um einen wissenschaftlich fundierten Vergleich zu ermöglichen, wurden verschiedene PLA- und ABS-Filamente auf ihre thermischen Eigenschaften hin untersucht und daraus anschließend optimierte Verarbeitungsparameter beim 3D-Drucken erstellt. Für die Drucktests wurde das Modell „MendelMax FM Pro“ (Abbildung) verwendet. Teilergebnisse dieser Studie sind in diesem Beitrag in komprimierter Form dargestellt.

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