ABS или PLA: какой материал выбрать для 3D-печати

Введение

ABS и PLA — два самых популярных материала для 3D-печати. Они остаются стандартом начального уровня наряду с PETG. Однако эти пластики ведут себя по-разному. Они подходят для разных задач и условий эксплуатации. В этой статье мы подробно сравним оба материала. Вы узнаете их свойства, преимущества, недостатки и области применения.

Ключевые тезисы

• ABS и PLA — термопласты, которые плавятся при нагревании и затвердевают при охлаждении.
• PLA производится из возобновляемых ресурсов: кукурузного крахмала, сахарного тростника.
• ABS производится из нефти и не является биоразлагаемым.
• PLA прочнее на растяжение, но хрупкий и боится высоких температур.
• ABS ударопрочнее и термостойче, но сложнее в печати и выделяет пары.
• Выбор зависит от конкретной задачи: декоративные изделия или функциональные детали.

Термопласты для 3D-печати

Что такое термопласты

И ABS, и PLA относятся к категории термопластов. Это полимеры, способные переходить из жидкого состояния в твёрдое и обратно. Переход происходит при нагревании до определённой температуры плавления. Термореактивные пластмассы, напротив, нельзя расплавить после остывания и затвердевания.

Термопласты широко используются в 3D-печати по ряду причин. Сырьё относительно недорогое. Материалы легко перерабатываются в различные виды исходного сырья. Например, чтобы получить гранулы или нить, термопластик нужно просто расплавить. Затем материал обрабатывается специальными инструментами для получения нужной формы. После остывания сырьё упаковывается и отправляется клиентам. Пользователи загружают его в 3D-принтер. Принтер расплавляет материал и выдавливает его в желаемую форму на основе 3D-модели.

Ограничение термопластов

Способность возвращаться в расплавленное состояние имеет один очевидный недостаток. Термопласты размягчаются и плавятся при нагревании. Это значит, что рабочая среда для изделий должна быть ниже температуры плавления пластика. Это основное ограничение при использовании термопластов.

Что такое PLA

PLA — это тип термопластика, получаемого из возобновляемых ресурсов. К ним относятся кукурузный крахмал, корни тапиоки или сахарный тростник. Это делает PLA материалом на биологической основе. Он поддаётся биологическому разложению. Это отличает его от многих других материалов для 3D-печати, полученных из ископаемого топлива, таких как ABS.

Физические свойства PLA

С точки зрения физических свойств PLA обладает относительно высокой прочностью на растяжение. Он также жёсткий. Это делает его пригодным для применений, требующих определённой степени жёсткости. Однако он также хрупкий. Это означает, что он может сломаться при высоком напряжении или ударе.

Температура стеклования PLA относительно низкая. Она составляет около 60–65 °C. Это температура, при которой материал превращается из твёрдого стекловидного в мягкий резиновый. Это означает, что предметы из PLA могут деформироваться в горячем автомобиле или аналогичных условиях.

PLA также известен низким коэффициентом усадки. Материал не деформируется в процессе печати и охлаждения. Это делает его удобным в работе, особенно для новичков. Материал хорошо плавится при относительно низкой температуре. Она доступна большинству 3D-принтеров.

Краткая история PLA

PLA был разработан в 1920-х годах Уоллесом Карозерсом. Он также создал нейлон. Долгое время PLA не использовался в промышленности. Другие термопласты, такие как ABS, PET и PVC, были более востребованы. Однако в последние годы PLA переживает ренессанс. Во многом это связано с распространением 3D-печати. Возобновляемость материала также способствует его популярности. Люди всё чаще выбирают экологичные материалы.

Что такое ABS

ABS — это термопластичный полимер. Он известен своей прочностью, долговечностью и термостойкостью. Материал состоит из трёх мономеров: акрилонитрила, бутадиена и стирола. Он производится из нефти. Это делает его небиоразлагаемым.

ABS ценится за свою прочность и долговечность. Его температура стеклования выше, чем у PLA. Она составляет около 105 °C. Материал может выдерживать более высокие температуры без деформации. Это делает ABS популярным для изготовления функциональных деталей и прототипов. Они должны выдерживать термические или механические нагрузки.

Сложности печати ABS

Однако печатать из ABS сложнее, чем из PLA. Для печати требуется высокая температура. Обычно от 210 до 250 °C. Материал более подвержен деформации из-за высокой степени усадки. Во время печати ABS может выделять неприятные запахи. Требуется хорошая вентиляция или принтер с фильтром. Несмотря на эти сложности, ABS остаётся популярным. Его превосходные механические свойства востребованы.

Краткая история ABS

ABS используется в промышленности уже несколько десятилетий. Его запатентовали ещё в 1948 году. Он широко применяется для литья под давлением. Используется в самых разных изделиях. От садовой мебели и игрушек до компонентов для аэрокосмической и автомобильной промышленности. Кубики LEGO — самый известный пример.

Исторически ABS был предпочтительным материалом в промышленности. Причина — ударопрочность, прочность и технологичность при литье под давлением. Несмотря на повышенный риск деформации при 3D-печати, материал сохраняет необходимые механические свойства. Это делает его популярным для многих функциональных применений.

Сравнение свойств PLA и ABS

Происхождение и экологичность

ABS и PLA сопоставимы по механическим свойствам. Оба являются недорогими термопластами, а не инженерными материалами. Однако есть ключевое различие. Оно заключается в способе производства и сырье.

ABS получают из минерального масла. PLA — из кукурузы и других крахмалосодержащих растений. Растущая популярность PLA объясняется его происхождением. Он производится из возобновляемого биоматериала. Это делает его более экологичным по сравнению с невозобновляемым ABS. В результате всё больше отраслей осваивают использование PLA. Например, производство упаковки для пищевых продуктов.

Прочность и износостойкость

PLA и ABS существенно различаются по механическим свойствам. Это делает каждый материал подходящим для определённых целей. Свойства материалов могут различаться в зависимости от марки сырья и контроля качества. В таблице ниже представлен обзор того, чего можно ожидать при сравнении обычных нитей из PLA и ABS.

Прочность — это величина силы, необходимой для деформации образца. Она показывает, какую нагрузку может выдержать материал. В таблице рассматривается предел прочности при растяжении. Это максимальное напряжение, которое материал может выдержать до разрушения.

Образец PLA превосходит ABS по прочности при растяжении в ориентации XY. Это самая прочная ориентация. У PLA на 50% больше прочности при растяжении по сравнению с ABS. Также незначительно повышен модуль упругости.

Ударная вязкость материала определяется его устойчивостью к ударам. Существует несколько тестов. Обычно проводится испытание на ударную вязкость по Изоду. Это стандартный тест ASTM для оценки ударной вязкости материалов. Ударно-вязкие материалы сочетают прочность и пластичность. Они обладают большей способностью поглощать энергию при пластической деформации. Такие материалы не разрушаются при ударе.

В этой категории ABS явно превосходит PLA. Его ударопрочность в тесте с надрезом примерно в четыре раза выше. Ударная вязкость в тесте без надреза — на 50% выше. Это ожидаемо. ABS давно ценится как ударопрочный материал. Поэтому он так популярен для изготовления функциональных деталей. PLA известен как хрупкий материал. Он легко ломается при ударе. Это ограничивает его функциональное применение.

Ещё одно преимущество ABS — низкая плотность. Если сделать две детали одинаковой формы, деталь из ABS будет легче.

Термические свойства

Пользователи ищут в паспортах материалов информацию о термических характеристиках. Их больше всего интересует температура плавления или температура стеклования (Tg). Эти значения необходимы для определения оптимальной температуры экструзии или печати.

Температура теплового отклонения — это показатель устойчивости материала к деформации. Она определяется под воздействием заданной нагрузки при повышенной температуре. Обычно приводятся два значения. Для нагрузок 0,46 МПа (67 psi) и 1,8 МПа (254 psi). Указанная температура соответствует температуре, при которой образец смещается на 0,25 мм.

В испытании на тепловой прогиб ABS явно выигрывает. Он способен выдерживать испытательные нагрузки при более высоких температурах. ABS выдерживает прогиб под нагрузкой при температуре, в два раза превышающей температуру PLA. Если нужна пластиковая конструкция, сохраняющая целостность при повышенных температурах, ABS — очевидный выбор.

Деформация и коробление

Свежеобразованные полимеры сжимаются при охлаждении. Это относится как к деталям из литья под давлением, так и к напечатанным на 3D-принтере. Степень усадки зависит от материала и условий охлаждения. При печати на принтере без защитного кожуха потоки холодного воздуха могут привести к неравномерному охлаждению. Это вызывает неравномерную усадку детали.

На коробление также влияет разница между температурой сопла и температурой окружающей среды. У ABS более высокая температура стеклования, чем у PLA. Поэтому он сильнее подвержен короблению. Разница температур между экструзионным соплом и средой для печати больше.

PLA не так сильно деформируется в обычных домашних условиях. Если в помещении достаточно тихо, проблем нет. Внезапные сквозняки от открытых дверей, окон или вентиляторов могут привести к тому, что крупные детали оторвутся от платформы. Печать будет неудачной.

Существует два основных способа управления температурным режимом для снижения риска деформации.

Помимо контроля температурного режима, деформацию можно уменьшить. Нужно улучшить адгезию к платформе с помощью подогреваемой платформы. Особенно при печати ABS. Идеальная температура платформы для ABS составляет от 95 до 110 °C. Бортики и подложки также помогают улучшить адгезию первого слоя. Они помогают удерживать деталь на платформе во время охлаждения.

Настройки печати

Существует множество источников с рекомендациями по настройкам печати. В этой статье мы используем настройки, рекомендованные разработчиком Simplify3D. Программное обеспечение используется миллионами людей по всему миру. Оно применяется для нарезки моделей и генерации G-кода.

Температура платформы для ABS выше, чем в большинстве готовых 3D-принтеров типа Prusa. Чтобы обеспечить адгезию к платформе и уменьшить деформацию, нужно заменить нагреватель платформы на более мощный. Также интересно отметить, что разные нити требуют разных поверхностей для печати.

Оптимальная скорость печати сильно варьируется. В целом для PLA подходит скорость от 30 до 100 мм/с. ABS обычно не растекается так же легко, как PLA. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать более низкую скорость. 50 мм/с — разумная скорость для начала печати ABS. Можно постепенно увеличивать её, чтобы определить предельную скорость для конкретного принтера.

Последующая обработка

После выбора настроек можно приступать к изготовлению деталей. Если печать прошла успешно, важно знать, что во многих случаях предстоит ещё кое-что сделать. Велика вероятность, что детали потребуют постобработки. Особенно если использовались вспомогательные материалы или нужно изменить внешний вид.

Для PLA и ABS хорошо подходит старая добрая шлифовка простых деталей. Используйте мелкозернистую влажную наждачную бумагу. Однако это может быть не лучшим вариантом при работе со сложными геометрическими формами. Причины — доступность и хрупкость деталей.

Вибрационные чаши с абразивными гранулами широко используются в различных отраслях промышленности. Они применяются для шлифовки деталей из различных полимеров, включая ABS и PLA. Если у вас есть доступ к такому оборудованию, это хороший вариант. Он даёт отличные результаты.

Для многих полимеров также предусмотрена паровая обработка. Она уменьшает эффект ступенчатости при 3D-печати. В результате такой постобработки детали приобретают гладкую, почти зеркальную поверхность. Для обработки ABS обычно используется пар ацетона. Этот материал растворяет ABS с внешней поверхности. Внешние грани расплавляются и становятся бесшовными.

Разглаживание ацетоном менее эффективно при печати PLA. Существуют и другие химические вещества для разглаживания PLA. Этот процесс может быть немного сложнее с точки зрения безопасности. Например, можно использовать этилацетат, метилэтилкетон (МЭК) и каустическую соду. Но они могут быть опасны из-за воспламеняемости или коррозионной активности.

Плюсы и минусы ABS

Преимущества ABS

• Хорошая прочность и высокая ударопрочность. Может выдерживать значительные нагрузки и воздействие силы.
• Хорошая термостойкость. Сохраняет форму и структурную целостность при температуре до 105 °C.
• Легко поддаётся постобработке. Можно выровнять с помощью ручной шлифовки или ацетонового выравнивания.
• Хорошая химическая стойкость. Устойчив к воздействию масел и слабых кислот.
• Низкая плотность. Детали из ABS легче, чем из материалов с более высокой плотностью, таких как PLA.

Недостатки ABS

• Более высокий показатель усадки по сравнению с PLA. Повышает риск деформации в процессе печати и охлаждения.
• Требует высокой температуры печати. Не все 3D-принтеры могут работать с этим материалом. Требуется больше энергии, чем для PLA.
• При плавлении может выделять неприятные пары. Рекомендуется печатать в хорошо проветриваемом помещении.
• Сложнее в печати, чем PLA. Может быть подвержен образованию нитей.
• Производится из невозобновляемых ресурсов. Не является биоразлагаемым. Большинство стандартных заводов по переработке не справляются с ABS.
• Не устойчив к ультрафиолетовому излучению. Разрушается под воздействием солнца или других источников УФ.

Плюсы и минусы PLA

Преимущества PLA

• Не требует высоких температур для печати. Может использоваться на всех 3D-принтерах.
• Низкая усадка. Обеспечивает минимальную деформацию и хорошую точность размеров.
• Прочность на разрыв превосходит прочность ABS.
• Хорошее качество поверхности. Нить доступна в широкой цветовой гамме.
• Производится из растений. Является возобновляемым и биоразлагаемым термопластиком.
• Безопасный материал для 3D-печати. Не выделяет вредных испарений. Но рекомендуется печатать в проветриваемом помещении.

Недостатки PLA

• Не устойчив к высоким температурам. Низкая температура стеклования и плавления. Исключает использование в условиях даже умеренного теплового воздействия.
• Не обладает гибкостью. Может треснуть или сломаться при ударе или сгибании. Менее подходит для механических деталей.
• Сложнее в обработке, чем ABS. Можно отшлифовать, но с ним не работают такие доступные химические вещества, как ацетон.
• Может быть подвержен выделению жидкости и образованию нитей. Если температура печати не совсем подходящая.

Практические выводы

Теперь подытожим основные выводы о 3D-печати с использованием PLA и ABS.

При печати ABS

1. Температурный режим 3D-принтера имеет решающее значение. Использование мощного нагревателя платформы и закрытой камеры обеспечит наилучшее качество печати.
2. Выберите поверхность для печати. Используйте клей и платформу с подогревом для улучшения адгезии и уменьшения деформации.
3. ABS — это ударопрочный пластик. Он сохраняет форму даже при температуре кипения воды.

При печати PLA

1. Условия печати не так критичны, как для ABS. Не печатайте рядом с открытым окном. Держитесь подальше от сквозняков.
2. Остерегайтесь вытекания. Это можно исправить с помощью настроек втягивания.
3. PLA обладает низкой термостойкостью по сравнению с ABS. Может не подойти для высокотемпературных применений.
4. PLA — простой в печати и недорогой пластик. Превосходит ABS по прочности и жёсткости при температуре окружающей среды.

Варианты использования ABS и PLA

В конечном счёте выбор между PLA и ABS зависит от того, для чего вы используете 3D-печать. Рассмотрим несколько сценариев.

Декоративная ваза

Создание декоративной вазы для использования в помещении. Ваза не должна выдерживать высокие температуры или удары. Эстетическая привлекательность может быть приоритетом. PLA станет отличным выбором. Благодаря простоте печати, возможности создавать мелкие детали и широкому выбору цветов.

Корпус для электронного устройства

Производство индивидуального корпуса для электронного устройства. Оно может нагреваться во время работы. Деталь должна выдерживать более высокие температуры и механические нагрузки. ABS с его более высокой термостойкостью и прочностью будет более подходящим.

Прототип механической детали

Изготовление прототипа механической детали. Его необходимо подвергнуть функциональному тестированию. Деталь должна быть прочной, долговечной и способной выдерживать удары. ABS с его превосходными механическими свойствами идеально подходит.

Экологический проект

Сценарий, в котором воздействие на окружающую среду вызывает серьёзную озабоченность. Например, общественный проект по созданию образовательных инструментов для школ. Предпочтительным материалом был бы PLA. Благодаря способности к биологическому разложению и возобновляемому источнику происхождения.

Эти сценарии показывают, как конкретные требования к применению могут повлиять на выбор. Зная сильные и слабые стороны каждого материала, вы сможете принять взвешенное решение.

Смеси ABS и PLA

У ABS и PLA довольно разные настройки печати. Они не являются идеальной комбинацией для смеси нитей. Однако доступны смеси ABS и PLA. Иногда их называют PLA-F. Некоторые пользователи успешно используют их для определённых проектов.

В результате получается материал, который хорошо проявляет себя в обеих областях. Но он не может сравниться ни по прочности с ABS, ни по простоте печати с чистым PLA. Такие смеси обычно печатаются при более высоких температурах, чем чистый PLA. Для предотвращения деформации может потребоваться, подогрев платформы. Также может возникнуть проблема с запахом. Компонент ABS выделяет некоторое количество паров, хотя и в меньшем количестве.

На практике смеси PLA и ABS подходят для задач, не требующих экстремальных характеристик. Они немного превосходят стандартный PLA по прочности и термостойкости. Но не идеальны для работы в условиях высоких нагрузок или температур. Их механические свойства находятся где-то посередине. Для многих пользователей — это может не оправдать дополнительных затрат или сложностей.

Распространённые альтернативы

Альтернативы PLA

Для пользователей, которые ищут альтернативу PLA с аналогичными характеристиками печати и качеством поверхности, есть несколько нитей. Они просты в использовании и устраняют некоторые недостатки PLA, такие как хрупкость или низкая термостойкость.

Альтернативы ABS

Для пользователей, которые хотят отказаться от ABS, сохранив его прочность, долговечность или термостойкость, есть несколько альтернативных нитей.

ABS против PLA за пределами 3D-печати

За пределами 3D-печати FDM/FFF PLA и ABS выполняют совершенно разные функции. Это связано с присущими им свойствами материала и особенностями обработки. В традиционных методах производства ABS пользуется гораздо большим спросом. PLA остаётся более нишевым материалом.

ABS — это стандартный термопласт для литья под давлением. Он обладает хорошей ударной вязкостью, стабильностью размеров и качеством поверхности. Это делает его подходящим для изготовления автомобильных компонентов, корпусов бытовой техники и потребительской электроники. Он хорошо поддаётся формовке и выдерживает многократные механические нагрузки. Его умеренная стоимость и возможности последующей обработки способствуют промышленному использованию.

PLA, напротив, ограниченно используется в литьевом формовании. Он биоразлагаем и производится из возобновляемых ресурсов. Но обладает низкой термостойкостью. Может деформироваться при умеренных нагрузках или температурах. Это ограничивает его применение в производстве одноразовых изделий. Например, упаковка, посуда, низкотемпературные области. Литьевое формование PLA также требует тщательного контроля. Чтобы избежать хрупкости и разрушения материала.

При SLA-печати или DLP-печати ни PLA, ни ABS не используются напрямую. Некоторые смолы имитируют их свойства. Смолы, похожие на ABS, обладают повышенной прочностью. Смолы, похожие на PLA, более хрупкие и биоразлагаемые. Но это разные по химическому составу материалы.

В технологиях порошковой печати (SLS или Binder Jetting) не используются ни PLA, ни ABS. Преобладают нейлон, термопластичный полиуретан и другие инженерные порошки. Они обладают лучшей термостойкостью и механическими характеристиками.

В экструзии нитей для потребительских товаров чаще используется ABS. Особенно для жёстких несущих профилей. PLA предпочтительнее для компостируемых или одноразовых изделий. Особенно в пищевой и упаковочной промышленности.

В целом ABS остаётся более универсальным и широко используемым материалом за пределами настольной печати. PLA обычно применяется в экологически чистых областях с низкой нагрузкой. Там биоразлагаемость важнее механических свойств.

Заключение

Выбор между PLA и ABS для 3D-печати не является универсальным решением. Он зависит от конкретных требований к применению, возможностей 3D-принтера и экологических соображений.

PLA легко печатать. Он биоразлагаем и не требует высоких температур. Его часто выбирают новички. Также он подходит для изготовления декоративных изделий. PLA востребован в сферах, где воздействие на окружающую среду имеет большое значение.

ABS обладает превосходными механическими свойствами. Он термостоек и отлично поддаётся постобработке. Больше подходит для изготовления функциональных деталей, прототипов и изделий, требующих прочности, долговечности и термостойкости.

Зная свойства каждого материала и учитывая конкретные требования к применению, вы сможете принять взвешенное решение. Это обеспечит успех вашего проекта 3D-печати.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли использовать PLA и ABS в одном 3D-принтере?

Да, большинство 3D-принтеров могут работать как с PLA, так и с ABS. Однако важно настроить температуру в соответствии с используемым материалом. Для PLA обычно требуется более низкая температура экструзии, чем для ABS.

Можно ли смешивать PLA и ABS в одной печати?

Как правило, не рекомендуется смешивать PLA и ABS в одной печати. У них разная температура плавления и скорость охлаждения. Это может привести к деформации и ухудшению адгезии между слоями.

Как улучшить сцепление ABS с платформой для сборки?

Использование платформы для сборки с подогревом может улучшить адгезию ABS. Также может помочь нанесение на платформу клеевого раствора. Например, смеси ABS и ацетона.

Как ускорить разложение полимолочной кислоты?

PLA быстрее разлагается на промышленной установке для компостирования. Она обеспечивает высокие температуры и контролируемые условия. В обычной компостной куче или на свалке разложение PLA может занять очень много времени.

Можно ли переработать ABS?

Да, ABS пригоден для вторичной переработки. Однако процесс переработки ABS не так распространён и прост, как переработка других видов пластика. При неправильной утилизации он может способствовать образованию пластиковых отходов.