Methoden zur Messung der Zähigkeit

Bei Materialien für den 3D-Druck werden im Vergleich zu extrudierten und spritzgegossenen Werkstoffen häufig Abstriche in puncto mechanische Eigenschaften gemacht, um die Druckbarkeit zu gewährleisten.

Bei der Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) ist das Standardmaterial PLA, das eine geringe Zähigkeit aufweist. PETG, ABS, ASA und PC bieten eine höhere Zähigkeit als PLA, aber damit diese Materialien gut druckbar sind, müssen sie ein geringeres Molekulargewicht, Co-Polymere oder andere Komponenten aufweisen, die die Leistung der Druckteile im Vergleich zu spritzgegossenen oder extrudierten Polymeren verringern.

Die Stereolithografie (SLA) ist ebenfalls dafür bekannt, spröde Kunststoffe zu verwenden, da die meisten Standard-Acrylatharze eine relativ geringe Zähigkeit aufweisen. Im Laufe der Zeit sind jedoch Materialien mit höherer Zähigkeit auf den Markt gekommen, wie Tough 1500 Resin und Tough 2000 Resin von Formlabs. Diese Materialien weisen zwar eine deutlich bessere Zähigkeit auf als die meisten gängigen Acrylat-Materialien, bleiben aber hinter den meisten Thermoplasten zurück.

Das Druckverfahren mit den zähesten Materialien ist das selektive Lasersintern (SLS). Das standardmäßige Nylon 12 Powder ist weitaus zäher als PLA oder die meisten Acrylatharze, und mit noch zäheren Optionen wie Nylon 11 Powder lassen sich unglaublich belastbare Teile herstellen. Anders als FDM-Materialien müssen SLS-Pulver nicht modifiziert werden, um druckbar zu sein. Außerdem ergibt der SLS-3D-Druck eine wesentlich bessere Isotropie, was für Belastbarkeit in allen Achsen sorgt.

Bei einer so breiten Palette verfügbarer Formulierungen ist die Messung der Zähigkeit von 3D-Druckmaterialien unglaublich wichtig, um ihre Eignung für anspruchsvollere Anwendungen jenseits der Prototypenentwicklung quantitativ beurteilen zu können.

Die Zähigkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Werkstoffs, Energie zu absorbieren und sich plastisch zu verformen, ohne zu brechen. Es gibt jedoch verschiedene Möglichkeiten, die Zähigkeit zu quantifizieren.

Eine Möglichkeit ist die Durchführung eines Zugversuchs nach ASTM D638, bei dem eine Probe mithilfe eines Spannzeugs auseinander gezogen wird. Die Krafteinwirkung (oder Belastung) auf den Querschnitt des Teils kann im Verhältnis zur Dehnung oder Verformung dargestellt werden. Die Arbeit ist das Skalarprodukt aus Kraft und Weg. Durch das Integral zur Berechnung der Fläche unter der Spannungs-Dehnungskurve kann die vor dem Bruch absorbierte Energie bestimmt werden.

Dieser Messwert für die Zähigkeit wird oft als Zugzähigkeit bezeichnet. Diese ist zwar eine nützliche Kennzahl, um die Bedeutung der Zähigkeit zu verstehen, doch sie wird in der Regel nicht gemessen und wird in technischen Datenblätter (TDB) selten angegeben, was einen quantitativen Vergleich der Zähigkeitswerte erschwert.

Die Bruchdehnung wird manchmal als Kennzahl für die Zähigkeit verwendet. Wenn Materialien eine ähnliche maximale Zugfestigkeit aufweisen, ist dies eine sinnvolle Annäherung an die Fläche unter der Spannungs-Dehnungskurve. Dieser Näherungswert ist weniger nützlich, wenn Materialien mit deutlich unterschiedlichen maximalen Zugfestigkeiten verglichen werden. Grundsätzlich ist die Bruchdehnung ein Maß für die Duktilität, und nicht für die Zähigkeit.

*Densetec extrusion grade homopolymer samples were obtained from McMaster-Carr (Item # 8742K129) and tested internally by Formlabs under identical conditions as the printed resin samples.

Die gängigste Methode, die Zähigkeit mit einem einfachen, leicht zu auszudrücken Versuch in einer einzigen Zahl wiederzugeben, ist die Schlagzähigkeitsprüfung nach Izod. Bei diesem Test schwingt ein Pendelhammer auf ein Teil, und die Steighöhe des Hammers nach dem Schlag wird gemessen. Der Unterschied zwischen der Fall- und Steighöhe des Hammers stellt die Differenz der Gravitationsenergie dar und entspricht der Energie, die beim Schlag auf den Probekörper absorbiert wird. Dieser Energiewert wird in der Regel durch die Länge oder die Fläche des Probekörpers geteilt, was einen Wert in J/m oder J/m² ergibt.

Die Charpy-Schlagzähigkeit ist ein ähnlicher Versuch, allerdings mit einem etwas anderen Aufbau, und wird häufiger bei Metallen verwendet. Beide Versuche können mit gekerbter oder ungekerbter Probe erfolgen. Bei ersterer Variante wird eine kleine Kerbe in das Probeteil geschnitten, die als initiale Rissquelle dient. Formlabs verwendet die Norm ASTM D256-10 für die Bewertung seiner Materialien.

Zwar wird die Izod-Schlagzähigkeit häufiger angegeben, da sie schnell und einfach zu ermitteln ist, doch hierbei wird an einem dicken Probekörper getestet (~12 mm), der oft nicht repräsentativ für die Geometrien von Kunststoffteilen ist.

Die Gardner-Schlagzähigkeit (ASTM D4226) ist zur Messung der Zähigkeit dünnerer Teile besser geeignet. Bei diesem Versuch wird ein Gewicht auf eine dünne Probe fallen gelassen, die dann daraufhin geprüft wird, ob der Kolben die Probe durchdrungen hat. Das Ergebnis wird entweder durch die maximale Höhe vor Versagen der Probe oder durch die maximal absorbierte Energie ausgedrückt.

Da die Probengeometrie bei der Schlagprüfung nach Gardner repräsentativer für die meisten Kunststoffteile ist, wird dies als eine aussagekräftigere Messgröße für die Schlagfestigkeit in der Praxis angesehen. Die Materialwissenschaftler*innen von Formlabs haben daher die Formulierung von Tough 1500 Resin V2 darauf optimiert, bei dieser Messgröße eine bessere Leistung zu erzielen.

Kunststoffe verhalten sich unterschiedlich, je nachdem, wie schnell sie belastet werden. Bei Schlagprüfungen wirkt die Belastung sehr schnell auf die Proben ein, aber im Praxiseinsatz müssen Werkstoffe auch bei gradueller Krafteinwirkung Energie absorbieren.

Eine Möglichkeit, die Zähigkeit bei niedrigeren Verformungsgeschwindigkeiten zu messen, ist die Messung der Bruchzähigkeit.

Dies kann entweder als der Wert K_C ausgedrückt werden, der den kritischen Spannungsintensitätsfaktor darstellt, bei dem sich ein Riss ausbreitet und einen Sprödbruch verursacht, oder als die Brucharbeit W_f – die Arbeit (oder Energie), die erforderlich ist, um einen Riss im Material auszubreiten.

Die Bruchzähigkeit ist eine der wichtigsten Messgrößen für die Zähigkeit, da sie die Widerstandsfähigkeit gegen Sprödbruch bei Belastungen ohne plötzliche Einwirkung darstellt.

Risse und Brüche können auch im Laufe der Zeit auftreten, statt durch eine Belastung wie bei der Bruchzähigkeit. Die allmähliche Rissausbreitung bei wiederholter Belastung wird als Ermüdung bezeichnet.

Zur Messung der Ermüdungseigenschaften von Kunststoffen wird in der Regel ein Ross-Biegeversuch (ASTM D1052) durchgeführt, bei dem stabförmige Probekörper Tausende von Malen gebogen werden.