Kunststoffe sind komplexe Materialien. Die richtige Wahl für Ihre Anwendung zu treffen, erfordert die Berücksichtigung verschiedenster Eigenschaften. Da durch Technologien wie kostengünstigen Desktop 3D-Druck immer mehr Ingenieure praktische Erfahrungen mit verschiedenen Polymeren sammeln, sind grundlegende Kenntnisse zu mechanischen Eigenschaften eine wichtige Voraussetzung, um das richtige Material für ein bestimmtes Projekt zu bestimmen.
In diesem Artikel stellen wir die sechs wichtigsten mechanischen Eigenschaften vor, die Sie berücksichtigen sollten, wenn Sie Materialien auswählen. Insbesondere zeigen wir Ihnen, welches Formlabs technische Kunstharze sich am besten für Ihre Anwendung eignet.
Finden Sie das richtige Material für Ihre Anwendung
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Elastizitätsmodul: Wie steif ist es?
Der Elastizitätsmodul ist der Widerstand eines Materials gegen elastische Verformung unter Belastung.
Der Biegemodul ist der Materialkennwert, der für Kunststoffe am relevantesten ist. Er gibt die Steifigkeit oder das Biegevermögen eines Materials an. Ein sehr steifes Material erfordert im Vergleich zu einem weichen Material eine deutlich größere Kraft, um verformt zu werden. Ein hoher Biegemodul charakterisiert ein steiferes Material, etwa einen Diamanten, während ein geringer Biegemodul ein elastisches Material, z. B. ein Gummiband, charakterisiert.
Der Biegemodul und der Zugmodul (oder Elastizitätsmodul) stehen in engem Zusammenhang und unterscheiden sich nicht wesentlich. Der Schubmodul beschreibt das Verhalten eines Materials bei der Einwirkung von Scherkräften, beispielsweise beim Schneiden mit einer stumpfen Schere.
Den höchsten Biegemodul unter den Materialien von Formlabs bietet Rigid Resin. Weitere Materialien mit einer hohen Steifigkeit sind beispielsweise Standard Resin und Grey Pro Resin. Tough Resin hat einen relativ niedrigen Biegemodul im Vergleich zu anderen Harzen von Formlabs.
Dehnung: Biegt und dehnt es sich?
Dehnung ist der Widerstand eines Materials gegen Bruch, wenn es gedehnt wird.
Die Dehnung ist der Kennwert, der uns sagt, wie weit ein Material gedehnt werden kann, ohne zu brechen oder Risse zu bilden. Steife Materialien, wie etwa spröde Kunststoffe, weisen beim Bruch für gewöhnlich eine geringe Dehnung auf, während einige weiche und elastische Materialien um ein Vielfaches ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden können, bevor sie brechen. Eine große Dehnung ist ein wichtiger Faktor bei Verpackungen, die einer Verformung standhalten müssen – wie etwa Zahnpastatuben.
Dehnbare Materialien, darunter die meisten Gummisorten, weisen eine hohe Dehnung auf, während spröde Materialien wie Glas oder Keramik über eine sehr geringe Dehnung verfügen, da sie sich nicht plastisch verformen lassen.
Die höchste Dehnung unter den Materialien von Formlabs bieten Durable Resin oder Tough Resin.
Schlagfestigkeit: Kann es Schläge absorbieren?
Schlagfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Stoßenergie und Schlagenergie zu widerstehen, ohne zu brechen.
Schlagfestigkeit, auch Zähigkeit genannt, beschreibt die Fähigkeit eines Materials, plötzlichen Schlägen standzuhalten. Ein Material mit einer hohen Zähigkeit wie Polycarbonat oder Polyamid kann Energie absorbieren und sich plastisch verformen, bevor es bricht. Kurz gesagt: Ein Material mit einer hohen Schlagfestigkeit kann fallen gelassen werden, ohne dass es bricht.
Zähigkeit oder Schlagfestigkeit ist nicht gleichbedeutend mit Steifigkeit. Nachgiebigere Materialien können hohe Werte bei der Schlagfestigkeit erzielen.
Die höchste Schlagfestigkeit unter den Materialien von Formlabs bietet Durable Resin. Weitere Materialien mit einer hohen Schlagfestigkeit sind beispielsweise Tough Resin und Grey Pro Resin.
Zugfestigkeit: Bricht es unter Zugbelastung?
Die Zugfestigkeit ist der Widerstand eines Materials gegen Bruch unter Zugbelastung.
Ein Material mit einer hohen Zugfestigkeit widersteht dem Brechen oder Trennen unter Zugbelastung. Der Kennwert Zugfestigkeit beschreibt die maximale Belastung, der ein Material bei Zugbelastung standhalten kann, bevor es bricht. Materialien mit hoher Zugfestigkeit sind beispielsweise Kohlenstoff, Glas und Stahl.
Sobald diese maximale Belastung erreicht ist, brechen spröde Materialien sehr abrupt ohne plastische Verformung, während dehnbare Materialien geringfügig plastisch verformt werden, bevor sie brechen.
Der 3D-Druck ist mittlerweile auf dem Stand, dass er eine vergleichbare Zugfestigkeit bieten kann wie Kunststoffe, die herkömmlicherweise beim Spritzguss eingesetzt werden, wie etwa Polypropylen oder ABS.
Die höchste Zugfestigkeit unter den Materialien von Formlabs bietet Rigid Resin. Weitere Materialien mit einer hohen Zugfestigkeit sind beispielsweise Standard Resin, Grey Pro Resin und Tough Resin.
Wärmeformbeständigkeitstemperatur: Hält es Wärme stand?
Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) ist die Temperatur, bei der sich ein Material unter einer bestimmten Last verformt.
Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) gibt an, ob sich ein Material für Hochtemperaturanwendungen eignet. Es handelt sich um die Temperatur (gemessen in °C), bei der sich eine Probe unter einer spezifischen Last verformt (gemessen in MPa).
Eine hohe HDT ist erforderlich für Gehäuse und Halterungen von Heizelementen sowie bei Komponenten, die mit heißen Flüssigkeiten und Gasen in Kontakt kommen, wie etwa die Formwerkzeuge beim Spritzguss sowie Anschlussstücke, Ventile und Düsen.
Die höchste Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) unter den Materialien von Formlabs bietet High Temp Resin. Ein weiteres Material mit hoher HDT ist beispielsweise Rigid Resin.
Kriechen: Verformt es sich unter langanhaltender Belastung?
Kriechen ist die Eigenschaft eines Materials, sich unter mechanischer Belastung langsam zu bewegen oder sich dauerhaft zu verformen.
Kriechen ist die Eigenschaft eines Materials, sich unter Belastung langsam dauerhaft zu verformen. Ein Material mit einer hohen Kriechzahl verformt sich leichter als ein Material mit einer niedrigen Kriechzahl. Das Kriechen unterscheidet sich von anderen Werkstoffeigenschaften darin, dass es über eine lange Zeit gemessen wird. Kriechen hängt von der Zeitdauer, der Belastung und der Temperatur ab.
Die Auswahl eines Materials mit geringem Kriechwert ist bei Teilen wichtig, die hohen Belastungen oder Temperaturen standhalten und ihre Form über längere Zeit beibehalten müssen. Dazu gehören tragende Teile oder Teile, die im Dauerbetrieb laufen, wie etwa Turbinenblätter.
Die niedrigste Kriechzahl unter den Materialien von Formlabs bieten Rigid Resin oder Grey Pro Resin.
Eine vielseitige Herangehensweise
In der Praxis müssen Designer Kunststoffteile selten für eine einzige Eigenschaft optimieren. Stattdessen treffen sie häufig Entscheidungen, bei denen sie mehrere Eigenschaften aufeinander abstimmen. Dies geschieht aufgrund von Erfahrungswerten sowie mithilfe von Computersimulationen und anderen Referenzenwerten.
Sie können Ihr Wissen zu verschiedenen Materialien und deren Vorteilen ausbauen, indem Sie Leitfäden wie diesen studieren – doch die praktische Erfahrung ist genauso wichtig. Probieren Sie verschiedene Materialien aus und lernen Sie deren Eigenschaften kennen. Finden Sie heraus, aus welchen Materialien Alltagsgegenstände bestehen und erwägen Sie die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien. Welche Eigenschaften müssen diese Teile für ihren Anwendungsbereich mitbringen?
Einige Anwendungsbeispiele von Formlabs technischen Kunstharzen:
Verbraucherverpackungen für Artikel wie Haushaltsreiniger oder Shampoo müssen über eine ausreichende Dehnung verfügen, um sich in den Händen der Anwender verformen und danach in ihre ursprüngliche Form zurückkehren zu können. Gleichzeitig müssen sie eine ausreichende Schlagfestigkeit aufweisen, damit sie beim Herunterfallen nicht kaputt gehen. Für diesen Prototypen haben wir uns für Durable Resin entschieden.
Eine Halterung (beispielsweise am Ständer eines Computermonitors) erfordert einen hohen Biegemodul bzw. eine hohe Steifigkeit. Auch ist es wichtig, ein Material mit geringer Kriechzahl auszuwählen, damit das Teil über die gesamte Lebensdauer seine Funktion erfüllt, ohne sich dabei langsam zu verformen. Für diese Anforderungen eignet sich Grey Pro Resin ideal.
Ein Lüfter muss über dünnwandige und zugleich feste Teile verfügen. Der hohe Biegemodul von Rigid Resin sorgt nicht nur dafür, dass die Teile nach dem Druck robust bleiben – ein hoher Modul vor der Nachhärtung ermöglicht das Drucken sehr dünnwandiger, präziser Teile mit einer geringeren Ausfallrate. Dank einer hohen Schlagfestigkeit, einer hohen Wärmeformbeständigkeitstemperatur und einer niedrigen Kriechzahl kann dieser Prototyp dauerhaft den Elementen widerstehen.
Fortgeschrittene Materialien für Rapid Prototyping
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