ABS w Druku 3D: Właściwości, Zastosowania i Bezpieczeństwo

Wstęp

Czy zastanawialiście się kiedyś, z czego zrobione są Wasze ulubione klocki LEGO lub obudowa smartfona? Poznajcie ABS – niezwykły materiał, który rewolucjonizuje świat produkcji i druku 3D! Ten fascynujący polimer łączy w sobie wytrzymałość, elastyczność i odporność na uderzenia, co czyni go idealnym wyborem dla wielu gałęzi przemysłu.

W tym artykule odkryjemy tajemnice ABS – od jego chemicznej struktury po zaawansowane zastosowania w motoryzacji, elektronice i medycynie.

Dowiemy się, jak ten materiał pomaga inżynierom tworzyć lżejsze i bardziej wytrzymałe części samochodowe, a także jak umożliwia produkcję bezpiecznych zabawek dla dzieci.

Zagłębimy się również w świat druku 3D, gdzie ABS odgrywa kluczową rolę w prototypowaniu i produkcji małoseryjnej. Poznamy wyzwania związane z drukowaniem z ABS i najnowsze badania nad udoskonaleniem tego materiału.

Jakie innowacje czekają nas w przyszłości? Przygotujcie się na fascynującą podróż przez świat nowoczesnych materiałów, która zmieni Wasze spojrzenie na przedmioty codziennego użytku!

Zobacz także ->

Charakterystyka ABS

Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) to szeroko stosowany termoplastyczny polimer, który zyskał ogromną popularność w dziedzinie druku 3D i innych zastosowaniach przemysłowych. Ten amorficzny kopolimer składa się z trzech monomerów: akrylonitrylu, butadienu i styrenu, których proporcje można modyfikować w celu uzyskania różnych właściwości końcowego materiału.

ABS jest terpolimerem powstałym w wyniku polimeryzacji styrenu i akrylonitrylu w obecności polibutadienu. Proporcje poszczególnych składników mogą się wahać:

Akrylonitryl: 15-35%
Butadien: 5-30%
Styren: 40-60%

Rezultatem jest długi łańcuch polibutadienu przecięty krótszymi łańcuchami poli(styren-co-akrylonitryl). Polarne grupy nitrylowe z sąsiednich łańcuchów przyciągają się wzajemnie i wiążą łańcuchy, co sprawia, że ABS jest mocniejszy niż czysty polistyren.

Właściwości mechaniczne ABS

Moduł Younga: 1,79-3,2 GPa
Wytrzymałość na rozciąganie: 29,8-60 MPa
Wydłużenie przy zerwaniu: 10-50%
Wytrzymałość na zginanie: 77 MPa
Udarność (notched Izod): 0,203-0,215 kJ/m1
Twardość Shore D: 100
Moduł sprężystości przy zginaniu: 1,6-2,4 GPa

Te parametry wskazują na dobrą wytrzymałość i odporność na uderzenia , co czyni go odpowiednim materiałem do zastosowań wymagających trwałości i odporności mechanicznej. Warto zauważyć, że właściwości mechaniczne ABS mogą się różnić w zależności od metody produkcji (np. druk 3D FDM vs. formowanie wtryskowe) oraz dodatków takich jak barwniki.

Właściwości termiczne ABS

ABS charakteryzuje się następującymi właściwościami termicznymi:
Temperatura zeszklenia (Tg):
– Około 105°C (221°F)
– Może wahać się w zakresie 100-105°C w zależności od składu
Temperatura topnienia:
– Brak wyraźnej temperatury topnienia ze względu na amorficzną naturę
– Typowy zakres temperatur przetwórstwa: 190-220°C
Temperatura rozkładu:
– 420-428°C
Przewodność cieplna:
– 0.15-0.20 W/(m·K)
Współczynnik rozszerzalności cieplnej:
– 80-100 × 10^-6 /K
Ciepło właściwe:
– 1.26-1.68 J/(g·K)
Maksymalna temperatura pracy:
– 70°C (158°F)

Właściwości chemiczne ABS

ABS wykazuje zróżnicowaną odporność chemiczną:
Doskonała odporność na:
– Rozcieńczone kwasy i zasady
– Wodę, sole nieorganiczne, alkalia
Dobra odporność na:
– Stężone kwasy
Słaba odporność na:
– Alkohole
– Aldehydy
– Ketony
– Estry
– Węglowodory aromatyczne
– Chlorowane węglowodory
Jest rozpuszczalny w:
– Ketonach
– Aldehydach
– Estrach
– Chlorowanych węglowodorach

Długotrwały kontakt z węglowodorami może powodować pęcznienie materiału. Ekspozycja na lodowaty kwas octowy i oleje roślinne może prowadzić do pękania naprężeniowego.

Warto zauważyć, że właściwości chemiczne i termiczne ABS mogą się nieznacznie różnić w zależności od dokładnego składu i dodatków. Modyfikacje składu pozwalają na dostosowanie właściwości do konkretnych zastosowań.

Charakterystyka druku 3D z ABS

Optymalne parametry druku

Druk 3D z wykorzystaniem ABS (akrylonitryl-butadien-styren) wymaga precyzyjnego doboru parametrów w celu uzyskania wysokiej jakości wydruków. Kluczowe parametry obejmują:

Temperatura ekstruzji: 220-250°C, w zależności od konkretnej formulacji ABS.
Temperatura stołu: 95-110°C, co zapewnia odpowiednią adhezję pierwszej warstwy.
Prędkość druku: 40-60 mm/s, choć może wymagać dostosowania w zależności od geometrii modelu.
Grubość warstwy: Typowo 0.1-0.3 mm, wpływająca na rozdzielczość i czas druku
Wypełnienie: 20-100%, w zależności od wymagań wytrzymałościowych.

Wymagania sprzętowe

Druk 3D z ABS stawia specyficzne wymagania sprzętowe:

Podgrzewany stół: Niezbędny do utrzymania temperatury 95-110°C.
Zamknięta komora druku: Zalecana do utrzymania stałej temperatury otoczenia 70-90°C.
Dysza odporna na wysokie temperatury: Zdolna do pracy w zakresie 220-250°C.
System wentylacji: Konieczny do odprowadzania oparów powstających podczas druku.

Problemy i wyzwania

Druk 3D z ABS wiąże się z pewnymi wyzwaniami:

Warping: Tendencja do odkształcania się i odrywania od stołu roboczego, szczególnie w przypadku dużych elementów.
Emisja oparów: ABS emituje potencjalnie szkodliwe opary podczas druku, zawierające lotne związki organiczne (VOC) i ultradrobne cząstki (UFP).
Pękanie warstw: Może występować przy zbyt szybkim chłodzeniu lub niedostatecznej adhezji między warstwami.
Wrażliwość na promieniowanie UV: Może prowadzić do degradacji materiału przy długotrwałej ekspozycji. Zalecane stosowanie wewnątrz budynku.

Projektowanie elementów z ABS do druku 3D

Zasady projektowania uwzględniające specyfikę materiału

Unikanie ostrych krawędzi: Zaleca się stosowanie zaokrągleń i fazowań w celu redukcji naprężeń.
Grubość ścianek: Minimalna zalecana grubość to 0.8-1.2 mm dla zapewnienia stabilności strukturalnej.
Orientacja modelu: Kluczowa dla minimalizacji efektu warpingu i optymalizacji wytrzymałości.
Podpory: Projektowanie z myślą o minimalizacji konieczności stosowania podpór.

Optymalizacja topologii dla ABS

Wykorzystanie struktur wewnętrznych: Zastosowanie odpowiednich wzorów wypełnienia dla zwiększenia wytrzymałości przy jednoczesnej redukcji masy.
Analiza elementów skończonych (FEA): Stosowana do optymalizacji rozkładu materiału w celu maksymalizacji wytrzymałości przy minimalnym zużyciu materiału.
Generatywne projektowanie: Wykorzystanie algorytmów AI do tworzenia optymalnych struktur.

Strategie redukcji warpingu

Stosowanie brim lub raft: Zwiększa powierzchnię adhezji do stołu roboczego.
Optymalizacja orientacji modelu: Minimalizacja powierzchni kontaktu z stołem dla dużych, płaskich powierzchni.
Stopniowe chłodzenie: Powolne obniżanie temperatury komory po zakończeniu druku.
Modyfikacja geometrii: Dodawanie elementów kompensujących skurcz materiału.

Zastosowania ABS w różnych dziedzinach

Przemysł motoryzacyjny

Elementy wnętrza pojazdu: Deski rozdzielcze, panele drzwiowe.
Prototypowanie części: Szybkie tworzenie modeli funkcjonalnych.
Narzędzia i przyrządy: Produkcja niestandardowych narzędzi montażowych.

Elektronika

Obudowy urządzeń: Wykorzystanie właściwości izolacyjnych ABS.
Prototypy PCB: Tworzenie obudów dla płytek drukowanych.
Elementy złączy: Produkcja niestandardowych złączy elektrycznych.

Medycyna i protetyka

Protezy: Tworzenie niestandardowych elementów protetycznych.
Modele anatomiczne: Druk 3D modeli do planowania zabiegów.
Narzędzia chirurgiczne: Produkcja spersonalizowanych narzędzi medycznych.

Inżynieria i prototypowanie

Modele koncepcyjne: Szybkie tworzenie prototypów dla weryfikacji projektów.
Części funkcjonalne: Produkcja elementów do testów i walidacji.
Narzędzia i przyrządy: Tworzenie niestandardowych narzędzi produkcyjnych.

Wyzwania i ograniczenia materiałowe

Emisja oparów i cząstek

Emisja lotnych związków organicznych (VOC):
- Podczas druku emituje potencjalnie szkodliwe VOC, w tym styren, formaldehyd i akrylonitryl.
- Ekspozycja na te związki może prowadzić do podrażnienia dróg oddechowych, oczu oraz skóry.
Emisja ultradrobnych cząstek (UFP):
- Druk z ABS generuje znaczne ilości UFP o rozmiarach poniżej 100 nm.
- UFP mogą przenikać głęboko do płuc i układu krwionośnego, potencjalnie powodując problemy zdrowotne.
Zróżnicowanie emisji między markami:
- Badania wykazały, że emisje mogą się znacząco różnić między różnymi markami filamentu ABS, nawet dziesięciokrotnie.

Środki bezpieczeństwa

Wentylacja:
- Konieczne jest zapewnienie odpowiedniej wentylacji pomieszczenia lub stosowanie systemów filtracji powietrza.
Monitorowanie jakości powietrza:
- Wskazane jest stosowanie czujników VOC i cząstek stałych w pomieszczeniu druku.

Podsumowanie

ABS pozostaje popularnym materiałem w druku 3D ze względu na swoje korzystne właściwości mechaniczne i termiczne. Jednakże, jego stosowanie wiąże się z istotnymi wyzwaniami dotyczącymi bezpieczeństwa i ochrony środowiska:

Emisje oparów i cząstek stanowią główne zagrożenie dla zdrowia użytkowników, szczególnie przy długotrwałej ekspozycji.
Konieczne jest stosowanie odpowiednich środków bezpieczeństwa, takich jak skuteczna wentylacja, filtry powietrza i środki ochrony osobistej.
Właściwości materiałowe, takie jak tendencja do wypaczania, wymagają specjalnych warunków druku, co może ograniczać jego zastosowanie w niektórych środowiskach.
Badania wskazują na potrzebę dalszych analiz długoterminowych skutków zdrowotnych związanych z ekspozycją na emisje z druku 3D.
Rozwój technologii filtracji i nowych formulacji ABS o niższej emisji może w przyszłości zmniejszyć ryzyko związane z jego stosowaniem.

Podsumowując, mimo swoich zalet, ABS wymaga ostrożnego podejścia i stosowania odpowiednich środków bezpieczeństwa. Użytkownicy powinni być świadomi potencjalnych zagrożeń i podejmować kroki w celu minimalizacji ryzyka związanego z emisjami podczas druku 3D.

Bibliografia

Jiang, L.; Lam, Y.C.; Tam, M.K.; Chua, T.; Sim, G.; Ang, L. Strengthening acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) with nano-sized and micron-sized calcium carbonate. Polymer 2005, 46, 243–252.
„Acrylonitrile butadiene styrene.” Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Acrylonitrile_butadiene_styrene.
Garg, A.; Bhattacharya, A.; Batish, A. On Surface Finish and Dimensional Accuracy of FDM Parts after Cold Vapor Treatment. Materials and Manufacturing Processes 2016, 31, 522–529.
Shaik, Y.P.; Naidu, N.K.; Yadavalli, V.R.; Muthyala, M.R. The Comparison of the Mechanical Characteristics of ABS Using Three Different Plastic Production Techniques. Open Access Library Journal 2023, 10, e10097.
Fernández-Posada, C.M.; Castro, A.; Kiat, J.-M.; Porcher, F.; Peña, O.; Algueró, M.; Amorín, H. Acrylonitrile Butadiene Styrene-Based Composites with Permalloy with Tailored Magnetic Response. Polymers 2023, 15, 626.
„Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS Plastic) – Omnexus.” Omnexus, https://omnexus.specialchem.com/selection-guide/acrylonitrile-butadiene-styrene-abs-plastic.
Billing, M.; Taheri, H.; Alajmi, M.; Somireddy, M. Evaluation of Mechanical Properties of Nanocomposite Photopolymer Resins for Stereolithography 3D Printing. Polymers 2021, 13, 2390.
„ABS Plastic Properties | Advantages Of Acrylonitrile Butadiene Styrene.” Adreco Plastics, https://adrecoplastics.co.uk/abs-plastic-properties/.
„ABS material – Properties and common applications – EuroPlas.” EuroPlas, https://europlas.com.vn/en-US/blog-1/abs-material-properties-and-common-applications.
„Exploring ABS Material: Properties and Applications – SendCutSend.” SendCutSend, https://sendcutsend.com/blog/what-is-abs-material/.

Ryszard Michalski

Inżynier i specjalista Druku 3D

Inżynier doświadczeniem w projektowaniu maszyn. Specjalizuję się w projektowaniu urządzeń przemysłowych prototypowaniu urządzeń elektronicznych oraz wdrażaniu technologii druku 3D. Posiadam praktyczne doświadczenie w dziale badawczo-rozwojowym, gdzie zajmowałem się tworzeniem nowych rozwiązań technologicznych, budową prototypów oraz obsługą maszyn.

Ten post ma 3 komentarzy