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.

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.

Für die vorliegenden Versuche stand die Anlage Stratasys F270 der Firma Alphacam zur Verfügung. Mittels Zugversuchen wurden die mechanischen Eigenschaften von ABS bei Raumtemperatur sowie bei erhöhten Temperaturen (40°C und 60°C) ermittelt. Das Sprödbruchverhalten wurde mit dem Pendelschlagversuch nach Charpy bei Raumtemperatur untersucht. Als Referenz dienten spritzgegossene Probekörper aus Terluan GP22. Die FDM-Proben wurden in der Solid-Variante und in der volumenreduzierten Sparse-Variante aus dem Stratasys Material ABS-M30 hergestellt.

Mechanische Eigenschaften von FDM-Formteilen

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 Zugversuchen 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 der 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.
• Die FDM-Varianten „Solid“ und „Sparse“ haben einen deutlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften.

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