Mechanische Eigenschaften von FDM-Bauteilen aus ABS

Fused Deposition Modeling, kurz FDM, ist ein weit verbreitetes Verfahren im Bereich der additiven Fertigung. Wir untersuchten die mechanische Eigenschaften von FDM-Bauteilen aus ABS durch Zug- und Pendelschlagversuche.

Fused Deposition Modeling
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Abb. 1: FDM-3D-Druck – Prinzipieller Anlagenaufbau

FDM-Verfahren

Beim FDM-Verfahren werden Filamente mit einem Durchmesser von 1,75 mm oder 2,85 mm in einer elektrisch beheizten Düse aufgeschmolzen. Die Düse trägt schichtweise Stränge mit einem Durchmesser von ca. 0,2 mm auf. Die Stränge oder Fäden verschmelzen drucklos mit dem zuvor aufgetragenen Material in der beheizten Prozesskammer. Als Materialien stehen Kunststoffe wie ABS, ASA, PC-ABS und ein thermoplastisches Polyurethan zur Verfügung. Um die Bauteile von der beheizten Bauplattform zu trennen und komplexe Bauteilkonturen prozesstechnisch umsetzen zu können, wird neben dem Baustoff ein Trennmaterial eingesetzt. Diese Stützkonstruktion kann mechanisch und teilweise in einem Laugenbad vom Bauteil abgelöst werden.

Das FDM-Verfahren wird kostengünstig in so genannten Personal-Printern sowie im semiprofessionellen Bereich eingesetzt. Das FDM-Verfahren eignet sich sowohl für die Herstellung von Einzelstücken als auch von Kleinserien. Mit dem FDM-Verfahren ist es auch möglich, eine kompakte Oberfläche mit volumenreduziertem Innenbereich, die sogenannte „Sparse-Variante“, herzustellen.

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Abb. 2: FDM-3D-Druck – Solid- und volumenreduzierte Sparse-Variante

Mechanische Eigenschaften von FDM-Teilen

Zugversuche an mittels FDM hergestellten Probekörpern
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Abb. 3: FDM-3D-Druck – Vergleichende Zugversuche bei 23°C 

Zugversuche an mittels FDM hergestellten Probekörpern
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Abb. 4: FDM-3D-Druck – Vergleichende Zugversuche bei 40°C 

Zugversuche an mittels FDM hergestellten Probekörpern
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Abb. 5: FDM-3D-Druck – Vergleichende Zugversuche bei 60°C 

Mechanische Eigenschaften von FDM-Bauteilen
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Abb. 6: Zug-Elastizitätsmodul für unterschiedlichen Varianten und Prüftemperaturen

Mechanische Eigenschaften von FDM-Bauteilen
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Abb. 7: max. Zugfestigkeiten für unterschiedlichen Varianten und Prüftemperaturen

Mechanische Eigenschaften von FDM-Bauteilen
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Abb. 8: Schlagzähigkeit für unterschiedlichen Varianten bei 23°C Prüftemperatur

Obwohl die beiden ABS-Werkstoffe nicht identisch sind, erlauben die vorliegenden Versuche eine tendenziell vergleichende Abschätzung der mechanischen Eigenschaften. Folgende Aussagen können zusammengefasst werden:

  • Bei Zugversuche an additiv gefertigtem ABS nach ISO 527 mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 50 mm/min liegen der Zug-Elastizitätsmodul und die maximale Zugfestigkeit von FDM-Prüfkörpern deutlich unter den Werten von spritzgegossenen Prüfkörpern. Bei der Dehnung bei maximaler Zugspannung sind die Werte im Vergleich zur spritzgegossenen Variante indifferent.
  • Die Zugfestigkeit an additiv gefertigten Prüfkörper aus dem FDM-Herstellungsprozess liegt je nach Variante (Solid oder Sparse) und Prüftemperatur in der Größenordnung von ca. 50 % im Vergleich zur spritzgegossenen Variante.
  • Bei der hohen Prüfgeschwindigkeit von ca. 4 m/s im Pendelschlagversuch erweisen sich die mit dem FDM-Verfahren hergestellten Prüfkörper im Vergleich zu den spritzgegossenen Prüfkörpern als deutlich spröder. Im Vergleich zu spritzgegossenen Prüfkörpern weisen FDM-Teile eine geringere Schlagzähigkeit auf.
  • Die FDM-Varianten „Solid“ und „Sparse“ haben einen deutlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften.

Wir beraten Sie gerne zu diesem Thema!

Kürzlich wurde auch von Frederik Knoop eine Behandlung des Themas „Mechanische Eigenschaften von FDM-Formteilen” im Zusammenhang mit Maßabweichungen veröffentlicht.