Selektives Lasersintern (SLS) ist eine weit verbreitete 3D-Drucktechnologie, bei der pulverförmiges Material mithilfe eines Lasers gesintert wird, um Schicht für Schicht Teile zu erstellen. SLS wird besonders dafür geschätzt, dass das Verfahren haltbare, funktionale Teile mit komplexen Designs liefert, was es ideal für Endverbrauchsteile in verschiedenen Branchen macht.

Da der SLS-3D-Druck zunehmend für die Endproduktion eingesetzt wird, ist ein Verständnis der langfristigen Leistung der Druckteile von entscheidender Bedeutung. Bauteile, die für die Endverwendung bestimmt sind, sind häufig rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, z. B. UV-Strahlung, Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen. Für die Gewährleistung von Zuverlässigkeit und Sicherheit ist es unerlässlich, zu beurteilen, wie Materialien auf diese Faktoren reagieren.

In dieser Studie wird die langfristige Umweltbeständigkeit von Formlabs' Nylon 12 Powder und Nylon 12 Tough Powder durch beschleunigte Bewitterung bewertet. Ziel ist es, eine längere Einwirkung von UV-Licht, Wärme und Feuchtigkeit zu simulieren, um zu beurteilen, wie sich die mechanischen und optischen Eigenschaften sowie die Abmessungen mit der Zeit verändern. Wir befolgen dabei Standardprüfverfahren, die branchenübergreifend eingesetzt werden, sodass die Ergebnisse mit denen herkömmlicher Thermoplaste vergleichbar sind.

Die Alterung wurde von Applied Technical Services (ATS), einem zertifizierten unabhängigen Labor, nach ASTM D4329-21, Zyklus A durchgeführt. Diese Norm beschreibt Verfahren für die beschleunigte Bewitterung von Kunststoffen unter Verwendung einer Xenon-Bogenlichtquelle, die das gesamte Spektrum des Sonnenlichts (UV, sichtbar und infrarot) simuliert und Feuchtigkeitszyklen mittels Wasserspray einschließt. Dieser Testzyklus ist in der Kunststoffverarbeitung und der Automobilindustrie als validierte Methode zur Vorhersage der langfristigen Haltbarkeit von Werkstoffen im Freien anerkannt. Die gealterten Proben wurden dann von Formlabs mit einer kalibrierten automatischen Zugprüfvorrichtung getestet sowie vermessen und mit einem Spektralphotometer auf Farbänderungen untersucht.

Expositionsparameter gemäß ASTM D4329-21, Zyklus A:

• Typische Bestrahlungsstärke bei 340 nm ist 0,89 W/(m2.nm)

• 8-stündige UV-Einwirkung mit einer nicht isolierten schwarzen Platte, deren Temperatur auf 60 °C geregelt wird

• 4-stündige Kondensation mit einer nicht isolierten schwarzen Platte, deren Temperatur auf 50 °C geregelt wird
   

Ausrüstung

• ATS: UV-Kammer (Q-Lab), Wanduhr, Radiometer

• Formlabs: Automatisiertes Labscubed-Zugprüfgerät, X-Rite-Spektralphotometer

48 Proben wurden mit den 3D-Druckern der Fuse-Serie von Formlabs nach der standardmäßigen ASTM-Typ-I-Zugstabgeometrie gedruckt. 24 Proben wurden mit Nylon 12 Powder und 24 mit Nylon 12 Tough Powder gedruckt, wobei die Standardeinstellungen von Formlabs verwendet wurden.

Mechanische Prüfung:

Die mechanischen Eigenschaften wurden in sechs Intervallen getestet: 0, 200, 400, 600, 800 und 1000 Stunden Einwirkung. Von jedem Pulver wurden in jedem Intervall vier Proben entfernt. Bei jedem Test wurden die folgenden Eigenschaften gemessen, wobei alle Teile im selben Druckauftrag aus derselben Pulvercharge in der X-Dimension gedruckt wurden, um potenzielle Abweichungen von Charge zu Charge auszuschließen:

• Zugmodul (MPa): misst die Steifigkeit des Materials und wie stark es unter Belastung Verformungen standhält; auch Elastizitätsmodul genannt.

• Zugfestigkeit (MPa): spiegelt die Festigkeit des Materials wider und misst die maximale Belastung, die ein Material bei Dehnung aushalten kann, bevor es zu reißen oder brechen beginnt.

• Bruchdehnung (%) (X/Y): misst die Duktilität des Materials und wie weit es sich dehnen kann, bevor es bricht.

Die Tests wurden bei Raumtemperatur nach Standard-Zugprüfungsprotokollen durchgeführt. Um Bedienungsfehler zu minimieren, wurde ein automatisches Zugprüfgerät verwendet, und die Teile wurden vor dem Test zwei Tage lang bei 25 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit konditioniert, um die Zuverlässigkeit des Tests zu gewährleisten.

Visuelle und spektrografische Untersuchung

Jede Probe wurde vor und nach der Exposition fotografiert, um sichtbare Veränderungen wie Vergilbung oder Verfärbung sowie Veränderungen der Oberflächentextur zu dokumentieren. Diese qualitativen Daten ergänzen die Ergebnisse der mechanischen Tests und helfen bei der Bestimmung der Optik der Teile im Laufe der Zeit. 

Die Farbe aller Proben wurde mit einem X-Rite-Spektrophotometer gemessen. Die Farbmessung erfolgte im Farbraum CIELAB (L*a*b*), und es wurde ein Unterschied von Delta E 2000 zwischen dem Original-Druckteil und der gealterten Probe berechnet. Delta E 2000 (DE00) ist die fortgeschrittenste mathematische Annäherung an Farbunterschiede und stellt eine sehr gute Annäherung an die Wahrnehmung des menschlichen Auges dar. Im Allgemeinen ist ein DE00-Wert von 1 die Grenze des vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Farbunterschieds.

Maßeigenschaften

Abmessungsänderungen wurden ohne eine spezifische Norm gemessen. Die Ergebnisse werden als prozentuale Veränderungen in beiden Richtungen angegeben.

Neben der UV-Bewitterung ist die Leistung bei niedrigen Temperaturen ein wichtiges Kriterium für Teile für die Endverwendung, insbesondere bei Anwendungen in gekühlten Räumen oder extremen Wetterbedingungen, z. B. in der Raumfahrt oder bei kryogenen Geräten. Ein separates Labor hat Nylon 12 Powder bei niedrigen Temperaturen getestet, um die Leistung des Materials bei extremer Kälte zu bewerten. Die Tests erfolgten gemäß ISO 170250-2017 in Anlehnung an die Testmethode nach der Norm ASTM D638-22. Zugproben des Typs 1 wurden über vier Stunden konditioniert und bei -60 °C getestet, um die Veränderungen im mechanischen Verhalten zu bewerten. Dabei wurden die gleichen Protokolle wie bei der Prüfung bei Raumtemperatur verwendet (Prüfgeschwindigkeit von 0,2 Zoll pro Minute).

Die obigen Diagramme zeigen für jedes Pulver und jede gemessene mechanische Eigenschaft den normalisierten Wert (%) der gemessenen mechanischen Eigenschaften, d. h. die prozentuale Veränderung im Vergleich zum Ausgangswert.

Zwar gibt es keine universelle Norm, die definiert, welche Veränderung der Eigenschaften bei beschleunigter Alterung von Polymeren akzeptabel ist, aber es gibt Leitfäden und bewährte Praktiken zur Interpretation der Ergebnisse. Studien gängiger, nicht 3D-gedruckter Thermoplaste definieren die in der Branche akzeptierte Stabilität in der Regel als weniger als 10 % Veränderung von Zugmodul und Festigkeit und weniger als 20 % Veränderung der Dehnung. Diese Definition ist auch innerhalb der additiven Fertigung für den SLS-3D-Druck üblich.

Nylon 12 Powder weist eine ausgezeichnete mechanische Beständigkeit während der 1000-stündigen Exposition auf. Der Elastizitätsmodul nimmt nur um etwa 4 % ab, und die maximale Zugfestigkeit sinkt nur um 3,3 %. Beide Differenzen liegen innerhalb des Schwellenwerts, der typischerweise als stabil gilt (weniger als 10 % Veränderung). Die Bruchdehnung nimmt um ca. 17 % ab, was für Thermoplaste, die längerfristig UV-Licht ausgesetzt sind, ein üblicher Trend ist, aber immer noch innerhalb akzeptabler Grenzen für industrielle Anwendungen liegt.

Nylon 12 Tough Powder zeigt ebenfalls eine gute Leistung. Sein Elastizitätsmodul sinkt zunächst, erholt sich aber am Ende des Zyklus und liegt schließlich nur noch 0,5 % unter dem ursprünglichen Wert. Die maximale Zugfestigkeit war mit einer Reduktion um 6 % ebenfalls beständig. Die Bruchdehnung sinkt um 14,7 %, was den Erwartungen für flexible Polyamide entspricht, die UV-Strahlung ausgesetzt sind.
 

Die nachstehende Grafik zeigt die visuelle Entwicklung der einzelnen Materialien im Laufe der Zeit. Messungen unter Verwendung von DE00 zur Berechnung der Farbverschiebung zeigen minimale Veränderungen: 0,60 für Nylon 12 Powder und 0,63 für Nylon 12 Tough Powder. Diese Ergebnisse liegen unter 1,0, was in der Regel als Schwellenwert für die Wahrnehmbarkeit durch das menschliche Auge angesehen wird. Dies deutet auf eine ausgezeichnete Farbbeständigkeit über einen längeren Zeitraum hin.

Die folgenden Tabellen fassen die Ergebnisse nach 1000 Stunden beschleunigter Bewitterungstests zusammen.

Diese Veränderungen entsprechen der in der Branche akzeptierten Definition von Stabilität, die in der Regel weniger als 10 % Veränderung von Zugmodul und Festigkeit und weniger als 20 % Veränderung der Dehnung vorschreibt. Beide Pulver zeigen eine ausgezeichnete langfristige mechanische und optische Beständigkeit bei beschleunigter Bewitterung mit Xenon-Lichtbogen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass beide Pulver für Anwendungen im Freien und für Endanwendungen geeignet sind, bei denen Alterung und Exposition eine Rolle spielen.

Das nachstehende Diagramm zeigt die prozentualen Maßänderungen der Proben im Laufe der Zeit, für beide Pulver und Druckrichtungen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Abmessungen sowohl bei Nylon 12 Powder als auch bei Nylon 12 Tough Powder nur geringfügig ändern, in der Regel innerhalb von ±0,5 %. Dies entspricht den normalen Schwankungen des Druckvorgangs selbst. Diese Ergebnisse deuten auf eine gute Maßhaltigkeit unter langfristigen Bewitterungsbedingungen hin.

Zusätzlich zur beschleunigten Bewitterung führte das Forschungs- und Entwicklungsteam von Formlabs auch bei niedrigen Temperaturen Zugprüfungen an Proben aus Nylon 12 Powder durch, um das Verhalten der Teile bei extremer Kälte zu bewerten.

Diese Ergebnisse zeigen eine höhere Festigkeit und Steifigkeit, aber eine geringere Duktilität bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, was dem typischen Verhalten von Thermoplasten entspricht. Es wird erwartet, dass dieser Trend auch auf andere SLS-Pulver auf Nylonbasis zutrifft, wie z. B. Nylon 12 Tough Powder.

Dieses Whitepaper fasst die Ergebnisse einer Studie zur beschleunigten Bewitterung von Formlabs' Nylon 12 Powder und Nylon 12 Tough Powder zusammen, die gemäß ASTM D4329-21, Zyklus A, unter Xenon-Lichtbogeneinwirkung über 1000 Stunden getestet wurden. Dieses Standardverfahren simuliert die langfristige Einwirkung von Sonnenlicht und Feuchtigkeit. Die mechanischen und visuellen Eigenschaften wurden bewertet, um die Leistung der Materialien bei langfristigen Anwendungen und im Freien zu beurteilen.

Die Ergebnisse zeigen, dass beide Pulver ihre mechanische Stabilität während der gesamten Expositionszeit beibehalten, wobei die Materialeigenschaften nach der Exposition 90 % ihres ursprünglichen Wertes beibehalten. Der Elastizitätsmodul und die maximale Zugfestigkeit zeigten Schwankungen von weniger als 10 %, ein Schwellenwert, der in Studien zur Polymeralterung üblicherweise als Indikation für eine stabile Leistung verwendet wird. Die Bruchdehnung nahm erwartungsgemäß ab, lag aber in einem für Thermoplaste auf Nylonbasis akzeptablen Bereich. Die Farbveränderung blieb unterhalb der Wahrnehmungsschwelle. Es wurden zusätzliche Tieftemperaturtests bei -60 °C durchgeführt, um die Leistung in extrem kalten Umgebungen zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen eine erhöhte Steifigkeit und verringerte Duktilität, was für die meisten Thermoplaste ein erwartbares Verhalten ist.

Zusammen bestätigen diese Ergebnisse, dass beide Pulver taugliche Optionen für langfristige Endanwendungen im Innen- und Außenbereich sind. Die Pulvermaterialien sind ideal für Produktionsteile, Halterungen und Vorrichtungen, Gehäuse und Produktionswerkzeuge, die Festigkeit, Stabilität und visuelle Beständigkeit über einen längeren Zeitraum erfordern. Kundenbeispiele aus der Praxis sind im Anhang enthalten. Fortgeschrittene Nachbearbeitungsmethoden wie Vapor Smoothing (chemische Dampfglättung) und Beschichtungen können die Leistung von SLS-Teilen weiter steigern, indem sie die Oberflächenbeschaffenheit verbessern, die Feuchtigkeitsaufnahme verringern und die Haltbarkeit erhöhen. So können sich Teile für noch anspruchsvollere Anwendungen eignen.

Haftungshinweis: Diese Ergebnisse beruhen auf den oben beschriebenen Testbedingungen. Die Materialeigenschaften können je nach Druckgeometrie des Teils, Druckbedingungen und Temperatur variieren. 

Die in diesem Whitepaper vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass Formlabs' Nylon 12 Powder und Nylon 12 Tough Powder selbst unter beschleunigten Alterungsbedingungen und extremer Kälte eine ausgezeichnete mechanische und ästhetische Leistung beibehalten. Die Ergebnisse stehen im Einklang damit, wie Kunden von Formlabs diese Materialien bereits in anspruchsvollen, langfristigen Anwendungen einsetzen. Die folgenden Fallstudien veranschaulichen, wie sich Unternehmen bei der Fertigung auf SLS-3D-gedruckte Teile stützen und deren Haltbarkeit durch betriebsinterne oder externe Tests validieren.

Dieses Whitepaper beschränkt sich zwar auf Nylon 12 Powder und Nylon 12 Tough Powder, aber es werden auch andere Formlabs-SLS-Pulver von Kunden für langfristige Anwendungen im Außenbereich getestet. Mehrere Unternehmen haben über erfolgreiche Ergebnisse bei der Verwendung dieser Materialien in Alterungs- und Witterungsanwendungen berichtet, auch wenn noch keine formalen Daten veröffentlicht wurden.

XSPECTER entwickelt und fertigt robuste Kamerastative und anderes Zubehör, das von Fotografen, Filmemachern und Notdiensten verwendet wird. Um die Werkzeugkosten zu senken und die Gestaltungsfreiheit zu verbessern, integrierte das Team sowohl den SLA- als auch den SLS-3D-Druck in die Produktion. Dabei verwendet es Formlabs' Nylon 12 Powder zur Produktion langlebiger Endprodukte, die Stößen, Vibrationen und Witterungseinflüssen im Außeneinsatz standhalten müssen. Teile wie maßgefertigte Stativ-Füße und modulare Gehäuseeinheiten werden jetzt betriebsintern 3D-gedruckt, was schnellere Iterationen und eine Fertigung in kleinen Stückzahlen ermöglicht, ohne dass die Zuverlässigkeit darunter leidet. Der Einsatz der Teile in der Praxis unterstreicht die mechanische Stabilität des Materials in realen Außenumgebungen.

Next Meters produziert Wasserzähler und musste individuelle Adapter für eine breite Palette von Wasseranschlüssen erstellen. Für seltene Varianten druckte das Team mit dem Fuse 1 und Nylon 11 Powder von Formlabs Montageringe, die anspruchsvollen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.

Zur Beurteilung der Haltbarkeit der Teile wurde ein dreimonatiger beschleunigter Umwelttest in einer Thermotron-Kammer durchgeführt, in der 15 Jahre an Witterungseinflüssen wie Hitze, Kälte, Feuchtigkeit und Wassereinwirkung simuliert wurden. Die Teile wurden auch UV- und Regenkammertests unterzogen. Die SLS-3D-gedruckten Teile wiesen während der Tests keinerlei mechanische oder ästhetische Beeinträchtigungen auf und werden inzwischen in der Praxis eingesetzt.

Diese Ergebnisse decken sich mit den in diesem Whitepaper präsentierten Ergebnissen der beschleunigten Alterungstests und zeigen, dass SLS-Materialien auch bei längerer Belastung durch Umwelteinflüsse sowohl ihre Funktion als auch ihr Aussehen behalten. Das macht sie zu einer robusten Lösung für Bauteile in Außenanlagen der Versorgungsinfrastruktur.