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Airwolf3D f\u00fchrt einen Spannungstest durch (Bild: Airwolf3D)<\/p><\/div>\n
Es gibt viele verschiedene Arten der Festigkeitspr\u00fcfung, darunter H\u00e4rte, Schlagfestigkeit, Druckfestigkeit, Streckgrenze, Erm\u00fcdungsfestigkeit und Biegefestigkeit. Eine der am h\u00e4ufigsten verwendeten Messgr\u00f6\u00dfen f\u00fcr Materialien ist jedoch die Zugfestigkeit. Dabei handelt es sich um die maximale Belastung, die ein Material aufnehmen kann, ohne zu brechen, wenn es gedehnt wird, d. h. wie viel Last oder Zugkraft es aufnehmen kann, bevor es entweder dauerhaft gedehnt wird oder bricht.<\/p>
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<\/a><\/div>\nDas ist es, was wir bei der Bestimmung der Festigkeit verschiedener 3D-Druckmaterialien betrachten werden, insbesondere bei Kunststoff-Filamenten f\u00fcr Fused Deposition Modeling<\/a> als eine der beliebtesten AM-Methoden. Die Zugfestigkeit wird sowohl in MPa (Megapascal), der Druckeinheit des Internationalen Einheitensystems (SI), die als ein Newton pro Quadratmeter definiert ist, als auch in psi (Pfund pro Quadratzoll) ausgedr\u00fcckt, das in den Vereinigten Staaten \u00fcblicher ist. Die folgende Auflistung ist danach geordnet, ob das Material in die Standard-, die technische oder die Verbundwerkstoff-Familie f\u00e4llt.<\/p>\n Zu beachten ist auch, dass einige der Materialien mit der h\u00f6chsten Zugfestigkeit eigentlich flexible Materialien wie TPU<\/a> sind. In diesem Fall wurden sie nicht ber\u00fccksichtigt. Au\u00dferdem h\u00e4ngen die mechanischen Eigenschaften eines Teils nicht nur vom Material ab, sondern auch von den Druckbedingungen wie der verwendeten Maschine, den Parametern und der Umgebung. Diese Zahlen dienen eher als Richtwert f\u00fcr die relative Festigkeit im Vergleich zwischen den Materialien, aber es muss noch mehr ber\u00fccksichtigt werden.<\/p>\n Im Allgemeinen sind Standardmaterialien nicht die st\u00e4rksten 3D-Druck-Filamente, da sie geringere mechanische Eigenschaften haben. Das hei\u00dft aber nicht, dass es nicht auch Materialien gibt, die st\u00e4rker sind als andere. Unter den Standardmaterialien gibt es Materialien, die zwar nicht mit technischen oder Hochleistungspolymeren<\/a> (HPP) vergleichbar sind, aber dennoch eine t\u00e4uschend hohe Zugfestigkeit aufweisen.<\/p>\n Nehmen wir zum Beispiel PLA<\/a>. Obwohl PLA oft als eines der schw\u00e4cheren Filamente angesehen wird, vor allem, wenn man bedenkt, dass es sich im Sonnenlicht zersetzt, hat es eine relativ hohe Zugfestigkeit, die zwischen 53 MPa und 59 MPa liegt. Zum Vergleich: ABS<\/a>, das oft als stark gilt, hat eine Zugfestigkeit von 34-36 MPA.<\/p>\n Zugfestigkeit f\u00fcr einige g\u00e4ngige 3D-Druckmaterialien, darunter ABS, PLA und PETG (Bild: BCN3D)<\/p><\/div>\n Was hier jedoch nicht ber\u00fccksichtigt wird, ist die Biegefestigkeit und Haltbarkeit, wo ABS<\/a> tats\u00e4chlich dominiert. PLA ist relativ spr\u00f6de und hat eine schlechte Schlagfestigkeit sowie eine schlechte W\u00e4rmebest\u00e4ndigkeit aufgrund einer Glas\u00fcbergangstemperatur von etwa 60\u00b0C. ABS hingegen wird f\u00fcr seine Dehnbarkeit und h\u00f6here W\u00e4rmebest\u00e4ndigkeit gelobt, die das Material f\u00fcr anspruchsvollere Teile besser geeignet machen.<\/p>\n Im Gegensatz dazu kann PETG<\/a> in vielen F\u00e4llen als das Beste aus beiden Welten angesehen werden. Das Material hat eine Zugfestigkeit von 38 – 44 MPa und eine relativ hohe Biegefestigkeit von 75 – 59 MPs und ist damit in diesen Punkten st\u00e4rker als ABS, hat aber im Vergleich zu PLA<\/a> eine geringere Zug- und Biegefestigkeit. Au\u00dferdem l\u00e4sst sich PETG im Vergleich zu ABS, \u00e4hnlich wie PLA, leichter drucken, da es gut flie\u00dft und keine nennenswerten inneren Spannungen aufweist, die zu einer \u00fcberm\u00e4\u00dfigen Verformung oder Delaminierung der Schichten f\u00fchren k\u00f6nnten.<\/p>\n Die st\u00e4rksten 3D-Druck-Filamente kommen aus technischen Materialien, die robuster sind und sogar in industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Es gibt auch \u201eHochleistungspolymere\u201c (HPP), die eine Stufe dar\u00fcber liegen und sich durch ihre unglaublichen Eigenschaften und ihre F\u00e4higkeit auszeichnen, in einigen F\u00e4llen Metall zu ersetzen<\/a>. Im Folgenden sehen wir uns einige der Materialien mit den h\u00f6chsten Zugfestigkeiten an:<\/p>\n Unter den leistungsstarken Filamenten gilt Polycarbonat (PC) als eines der st\u00e4rksten. Dies ist auf eine sehr hohe Zugfestigkeit sowie eine hohe Schlag- und Hitzebest\u00e4ndigkeit zur\u00fcckzuf\u00fchren. Was die Eigenschaften betrifft, so liegt die Zugfestigkeit in der Regel bei 60-70 MPa. Wie ist das zu verstehen? In einem Test von Airwolf3D aus Kalifornien fanden die Ingenieure heraus, dass ein Polycarbonat-Haken 285 Pfund heben kann. Obwohl das Material extrem stark ist, hat es jedoch auch Nachteile. Vor allem der Druck kann aufgrund der hohen Drucktemperaturen und der Neigung zum Verziehen (Warping) schwierig sein.<\/p>\n Ein mit FDM-3D-Druck und PC hergestelltes Teil (Bild: MatterHackers)<\/p><\/div>\n Nylon oder Polyamid wird ebenfalls f\u00fcr seine Festigkeit gelobt, die sich jedoch je nach verwendetem Material nach der Anzahl der vorhandenen Kohlenstoffketten unterscheidet. Im 3D-Druck werden PA6, PA11 und PA12<\/a> verwendet, wobei die beiden letztgenannten h\u00e4ufig bei SLS zum Einsatz kommen. PA6 wird in der Regel in Form von Filamenten verwendet, obwohl sowohl PA11 als auch PA12 auch in Form von Verbundwerkstoffen erh\u00e4ltlich sind.<\/p>\n Alle drei Polyamide bieten eine hohe Schlagz\u00e4higkeit und sind z\u00e4h und halbflexibel. PA6 wird jedoch am meisten f\u00fcr Anwendungen gesch\u00e4tzt, die eine hohe mechanische Festigkeit mit einer Zugfestigkeit zwischen 50 und 90 MPa erfordern. Dies variiert nat\u00fcrlich, aber Ensinger Plastics stellt fest, dass PA6 eine Bruchfestigkeit von etwa 79 MPa hat, w\u00e4hrend PA11 etwa 52 MPa und PA12 etwa 53 MPa betr\u00e4gt.<\/p>\n Dennoch sind sie alle dank ihrer hohen Schlagz\u00e4higkeit, Verschlei\u00dffestigkeit und W\u00e4rmebest\u00e4ndigkeit gut geeignet. Wenn wir uns auf andere Polyamide als PA6 konzentrieren wollen, kann PA12 eher als \u201eAllrounder\u201c-Material betrachtet werden, das das Beste der beiden anderen vereint, w\u00e4hrend PA11 f\u00fcr seine Flexibilit\u00e4t gelobt wird. Beide sind au\u00dferdem leichter zu drucken.<\/p>\n Polyetheretherketon (PEEK) geh\u00f6rt zu den \u201eHochleistungspolymeren\u201c, das sich durch hervorragende Eigenschaften und eine so hohe Festigkeit auszeichnet, dass es in einigen F\u00e4llen sogar mit Metall verglichen<\/a> wird. Die Zugfestigkeit von PEEK ist deutlich h\u00f6her als die von technischen Polymeren und liegt in der Regel bei 90 bis 100 MPa, obwohl es in Form von Filamenten bis zu 110 MPa erreichen kann und damit einige Legierungen (nicht mit Eisen) \u00fcbertrifft.<\/p>\n Neben den ausgezeichneten mechanischen Widerstandseigenschaften, einschlie\u00dflich Zugdehnung und Biegefestigkeit, sowie der hohen H\u00e4rte und Schlagz\u00e4higkeit, verf\u00fcgt das Material auch \u00fcber eine hervorragende chemische Best\u00e4ndigkeit. Zusammen machen diese Eigenschaften das Material nicht nur stark, sondern auch ideal f\u00fcr Anwendungen in einigen der anspruchsvollsten Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilbau, \u00d6l- und Gasindustrie sowie Medizintechnik.<\/p>\n PEEK-Filament (Bild: 3D4Makers)<\/p><\/div>\n Ein weiteres Hochleistungspolymer, das h\u00e4ufig in industriellen 3D-Druckanwendungen verwendet wird, ist PEKK. PEKK (Polyetherketonketon) geh\u00f6rt zur gleichen PAEK-Familie wie PEEK und unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von diesem, nicht aber in seiner Festigkeit. PEKK hat au\u00dfergew\u00f6hnliche mechanische Eigenschaften, darunter eine hohe Zugfestigkeit. Filamente von Lynxter haben eine Zugfestigkeit von 105 MPa und eine Biegefestigkeit von 95 MPa, \u00e4hnlich wie bei PEEK. Im Vergleich zu PEEK zeichnet sich PEKK jedoch durch eine bessere Schichthaftung aufgrund einer geringeren Kristallisationsrate aus. Dies wiederum erm\u00f6glicht im Vergleich zu PEEK h\u00f6here Zugfestigkeiten in jeder Achse. \u00c4hnlich wie PEEK verf\u00fcgt es \u00fcber eine hohe Chemikalien- und W\u00e4rmebest\u00e4ndigkeit sowie eine hervorragende Biegefestigkeit.<\/p>\n Abgerundet wird die Kategorie der Hochleistungskunststoffe durch PEI<\/a>, das gemeinhin unter dem Markennamen Ultem bekannt ist. Bei diesem Filament setzt sich der Trend zu hoher Zugfestigkeit fort, die allerdings vom verwendeten Filament abh\u00e4ngt. ULTEM 9085 ist mit einer Zugfestigkeit von etwa 70 MPa (10153 psi) das beste Material f\u00fcr hohe Festigkeit, kann aber wie PEKK und PEEK je nach Filament bis zu 110 MPa erreichen. Ultem verf\u00fcgt au\u00dferdem \u00fcber eine unglaubliche W\u00e4rmebest\u00e4ndigkeit, die bis zu 180 C reicht, sowie \u00fcber eine hohe Schlagz\u00e4higkeit und ein gutes Verh\u00e4ltnis von Festigkeit zu Gewicht. Wie bei den beiden anderen Hochleistungspolymeren in der Liste besteht der Nachteil darin, dass es schwieriger zu drucken und – au\u00dfer bei industriellen Anwendungen – auch unerschwinglich ist.<\/p>\n Verbundwerkstoffe sind kein einzelnes Material, sondern eine Kategorie, in der zwei oder mehr Materialien kombiniert werden, um die Vorteile beider zu nutzen. Dazu geh\u00f6ren h\u00f6here Festigkeit, Steifigkeit, Hitzebest\u00e4ndigkeit und Haltbarkeit. Es gibt heute viele verschiedene Verbundwerkstoff-Filamente auf dem Markt, darunter auch einige mit un\u00fcblicheren 3D-Druck-Materialien wie z.B. Holz. Wenn es aber um die Festigkeit geht, gibt es drei, die wirklich herausragen, wenn sie zu einer Polymermatrix hinzugef\u00fcgt werden. Letztendlich k\u00f6nnen diese zu den st\u00e4rksten 3D-Druck-Filamentmaterialien geh\u00f6ren, obwohl es aufgrund der erh\u00f6hten Anisotropie, die bereits beim FDM-3D-Druck vorhanden ist, bei der Platzierung der Verbundfasern zu starken Unterschieden zwischen der x-, y- und z-Achse kommen kann.<\/p>\n Kohlenstofffaser oder einfach nur Kohlefaser bzw. Carbonfaser\/Karbonfaser ist sowohl die st\u00e4rkste als auch die teuerste der drei verschiedenen Verbundfasern und wird h\u00e4ufig im 3D-Druck eingesetzt. Wie bei Glasfasern kann auch hier die Bandbreite der Zugfestigkeit recht gro\u00df sein, da sie nicht nur von der Kohlenstofffaser, sondern auch von ihrer Anordnung, ihrer Dichte und dem Polymermatrixmaterial abh\u00e4ngt. Einigen Quellen zufolge kann die Kohlefaser selbst eine Zugfestigkeit von etwa 4137 MPa aufweisen. Dies wird nicht vollst\u00e4ndig auf das Verbundmaterial \u00fcbertragen, aber es wird regelm\u00e4\u00dfig festgestellt, dass die Festigkeit eines Materials durch die Zugabe von Kohlenstofffasern um etwa 40 % erh\u00f6ht wird.<\/p>\n 3D-Druckerteile aus Kohlefaserverbundwerkstoffen (Bild: Anisoprint)<\/p><\/div>\n Glasfaser ist eine der Verbundfasern, die h\u00e4ufig im FDM-3D-Druck verwendet werden. Wie die beiden anderen tragen Glasfasern dazu bei, die mechanischen Eigenschaften eines Teils zu verbessern und zeichnen sich insbesondere durch ihre Flexibilit\u00e4t und Schadensresistenz aus. Allerdings sind Glasfasern nicht so \u201estark\u201c wie Kohlenstofffasern. An sich hat Glasfaser eine Zugfestigkeit von etwa 3450 MPa, wobei die Auswirkungen auf das Filament selbst je nach den verschiedenen Eigenschaften des Materials unterschiedlich sind.<\/p>\n Mit einer Zugfestigkeit, die zwischen der von Glas- und Kohlefasern liegt, und einer geringeren Dichte als Kevlar kann Aramid n\u00fctzlich sein, wenn Gewicht, Festigkeit und Steifigkeit sowie Besch\u00e4digungs-, Erm\u00fcdungs- und Spannungsbruchfestigkeit wichtig sind. Allerdings ist Aramid die schw\u00e4chste der drei Verbundfasern und hat eine Zugfestigkeit von etwa 2757 MPa, die somit unter der von Kohle- und Glasfasern liegt.<\/p>\n Was halten Sie von den st\u00e4rksten 3D-Druck-Filamenten? Lassen Sie uns dazu einen Kommentar da, oder teilen Sie es uns auf Facebook<\/a>\u00a0oder\u00a0LinkedIN<\/a> mit. M\u00f6chten Sie au\u00dferdem eine Zusammenfassung der wichtigsten Neuigkeiten im 3D-Druck und der additiven Fertigung direkt und bequem in Ihr Postfach erhalten? 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Polycarbonat<\/h4>\n
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PEKK<\/h4>\n
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Kohlenstofffaser (CF)<\/h4>\n
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