Regen, Sonne, Schnee: Diese 3D-Druckmaterialien halten jeder Witterung stand
Finden Sie heraus, welche Filamente die besten Optionen für den 3D-Druck von UV- und witterungsbeständigen Teilen und Drucken sind.
Wenn Sie Stunden damit verbracht haben, das perfekte Teil für den Außenbereich zu entwerfen und in 3D zu drucken, muss es auch den Elementen standhalten können. Wenn Sie das falsche Material verwenden, könnte ein plötzlicher Frost Ihre harte Arbeit in ein rissiges, verzogenes oder sprödes Chaos auflösen. Die Wahrheit ist, dass nicht alle 3D-Druckmaterialien für kaltes Wetter und Frost-Tau-Zyklen geeignet sind, ebenso wenig wie für lange Aufenthalte in der heißen Sonne. Dieser Leitfaden zeigt Ihnen die wichtigste Entscheidung, die Sie treffen können, um sicherzustellen, dass Ihre Drucke lange halten, damit Sie unabhängig von der Temperatur mit Zuversicht bauen können.
Die Produkte für den Außenbereich, die Sie vielleicht schon besitzen, wie z. B. Möbel, Gartengeräte und Spielzeug, sind in der Regel aus Polyethylen (PE) hergestellt. Leider ist PE für den 3D-Druck nicht verfügbar, da es einen so niedrigen Schmelzpunkt (viel niedriger als PLA) und eine schlechte Schichthaftung hat. Sie brauchen also eine Alternative.
Egal, ob es sich um funktionale oder dekorative Teile handelt, die Wahl des richtigen Materials kann den Unterschied in der Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Sonne, Hitze, Kälte, Chemikalien und Feuchtigkeit ausmachen. Sehen wir uns einige der besten 3D-Druckpolymermaterialien für Außenanwendungen und die Eigenschaften an, die ihnen helfen, dem Wetter zu trotzen.
Zunächst ist es jedoch nützlich zu verstehen, wie sich die Elemente im Freien auf Polymere auswirken.
UV-Licht ist der schädlichste Umweltfaktor für Kunststoffe. Die ultraviolette Strahlung der Sonne bricht die chemischen Bindungen in einem Polymer durch einen Prozess auf, der Photodegradation genannt wird, was nicht nur eine Veränderung des Aussehens wie Vergilbung oder Weißwerden („Kreidung“) verursacht, sondern auch die physikalischen Eigenschaften verschlechtert.
Das zweitschädlichste Element für Kunststoffe ist Feuchtigkeit. Wir denken oft, dass Kunststoffe wasserdicht sind, aber verschiedene Polymere absorbieren Wasser in unterschiedlichem Maße, was zu einer Schwellung führt, die zwar kaum zu bemerken ist, aber die Festigkeit und Funktion Ihres Außenteils im Laufe der Zeit nicht weniger beeinträchtigt.
Hitze und Kälte sind ebenfalls wichtige Faktoren, die zu berücksichtigen sind. Zwar schmelzen die meisten Kunststoffe selbst in den heißesten Außenumgebungen nicht, aber sie können so weich werden, dass sie mechanisch versagen, was für jedes Funktionsteil wie eine Halterung, einen Verschluss oder ein Gehäuse ein Problem darstellt. Bei kalten Temperaturen hingegen werden die Teile eher spröde und brechen leicht ab, da sie durch den Temperaturabfall steifer werden.
Eine weitere Frage, die Sie sich stellen sollten, ist, ob Ihr Teil mit Chemikalien, Lösungsmitteln, Ölen oder Ähnlichem in Berührung kommt, z. B. mit Schwimmbadchemikalien, Fahrradschmiere oder sogar mit starker Verschmutzung.
Da es nicht das eine 3D-Druck-Polymermaterial mit hervorragender UV-, Chemikalien-, Hitze- und Feuchtigkeitsbeständigkeit gibt, müssen Sie dasjenige auswählen, das die spezifischen Stärken für Ihre Anwendung aufweist.
Werfen wir einen Blick auf die sechs besten Polymere für den Außeneinsatz und ihre wichtigsten Eigenschaften.
Die Wetterbeständigkeit gängiger 3D-Druck-Filamente
Im Folgenden stellen wir einige der besten 3D-Druckpolymermaterialien für Teile im Außenbereich vor und nennen die Eigenschaften, die sie auf unsere Liste gebracht haben. PLA UV am Ende unserer Liste dient zum Vergleich und weil es eine Überraschung für den Außenbereich bereithält: Es ändert seine Farbe, wenn es dem Sonnenlicht ausgesetzt wird.
Denken Sie daran, dass nicht jedes Filament, das Sie kaufen, all diese spezifischen Eigenschaften aufweist, da die einzelnen Filamenthersteller Zusatzstoffe für die Farbe oder andere Eigenschaften verwenden können, die sich auf die Eigenschaften eines Materials auswirken können; beachten Sie also immer das Datenblatt zu Ihrem Material. Ebenso kann es – und ist es in der Regel auch – Versionen von Materialien mit erhöhtem UV-Schutz durch Zusatzstoffe geben. Es gibt verschiedene Polymere, die einen erhöhten UV-Schutz aufweisen.
*Die Feuchtigkeitsaufnahme bezieht sich auf den Grad des hygroskopischen Verhaltens eines Materials, der angibt, wie stark es zum Aufquellen neigt. Sie verringert die Glasübergangstemperatur und die Festigkeit des Kunststoffs. Die am weitesten verbreitete Norm zur Messung der Wasseraufnahme von Kunststoffen ist ASTM D570, die den Prozentsatz des absorbierten Wassers nach 24-stündigem Eintauchen in Wasser bestimmt. In der obigen Tabelle ist der maximale Prozentsatz des absorbierten Wassers nach Gewicht angegeben.
*Die Wärmebeständigkeit wird in der Glasübergangstemperatur (Tg) gemessen, d. h. dem Punkt, an dem ein Polymer beginnt, von einem harten in einen flexibleren Zustand überzugehen. Dies kann die strukturelle Integrität Ihrer Teile beeinträchtigen. Bei flexiblem TPU und semiflexiblem PP ist die Glasübergangstemperatur der Punkt, an dem es vom gewünschten flexiblen Zustand in den spröden übergeht, ein Punkt, der weit unter dem Gefrierpunkt liegt.
Welche Filamente halten dem Winter stand?
Für Außenteile, die -20 °C aushalten müssen, empfehlen wir die drei Filamente Polycarbonat, ASA und Nylon 12. Vermeiden Sie hier PETG, da es bei -20 °C spröde wird.
Polycarbonat ist die stärkste Option. Es bleibt auch bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt zäh und stoßfest, und einige Mischungen sind für -60 °C ausgelegt. Der Nachteil ist, dass es schwieriger zu bedrucken ist – Sie brauchen hohe Temperaturen, ein Gehäuse und idealerweise eine UV-stabilisierte Qualität oder eine Schutzbeschichtung, wenn es in der Sonne liegt.
ASA ist eine gute Wahl, wenn Sonnenlicht ein größeres Problem darstellt. Es ist im Grunde eine UV-beständige Version von ABS, so dass es im Freien nicht vergilbt oder Risse bekommt und auch bei kaltem Wetter noch gut funktioniert. Beachten Sie jedoch, dass es sich verziehen kann, wenn es nicht in einer stabilen Umgebung gedruckt wird.
Nylon 12, insbesondere in kohlefaserverstärkter Form, ist eine weitere solide Wahl. Es nimmt weniger Feuchtigkeit auf als andere Nylonsorten, bleibt auch bei Kälte widerstandsfähig und ergibt zuverlässige Funktionsteile. Wie Polycarbonat muss es trocken gelagert werden und benötigt bei Exposition möglicherweise einen UV-Schutz.
Kurz gesagt: Wählen Sie Polycarbonat für maximale Zähigkeit, ASA für langfristige Witterungsbeständigkeit und PA12 für langlebige, tragende Teile.
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PETG (Polyethylenterephthalat-Glykol)
PETG ist aufgrund seiner hervorragenden Festigkeit, Schlagzähigkeit und Witterungsbeständigkeit eine beliebte Wahl für den 3D-Druck im Außenbereich. Obwohl es ein solides Allround-Material ist, gibt es einige wichtige Dinge zu beachten:
- UV-Beständigkeit: PETG weist eine gute UV-Beständigkeit auf, so dass es weniger anfällig für Vergilbung oder Zersetzung ist, wenn es über einen längeren Zeitraum dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, aber nicht so beständig wie ein anderes klares Material, PC.
- Hitze- und Chemikalienbeständigkeit: Es bietet eine gute chemische Beständigkeit und eignet sich daher für Außenbereiche, in denen es häufig den verschiedensten Elementen ausgesetzt ist. Da es sich jedoch um einen thermoplastischen Polyester und nicht um einen duroplastischen Kunststoff handelt, kann es bei großer Hitze verformt werden, daher sollte direkte, ganztägige Sonneneinstrahlung vermieden werden, um Verformungen zu vermeiden.
- Spezialfilamente: Es gibt spezielle Versionen von PETG mit erhöhter UV-Beständigkeit, wie z. B.:
- Eolas Prints PETG UV-resistentes Filament. Es wurde verändert, um es UV-beständiger zu machen, und verspricht, dass die Farbe mindestens fünf Jahre lang intakt bleibt. Der Nachteil ist, dass diese Version von PETG nicht lebensmittelecht ist.
- Glasfaserverstärktes PETG GF UV von Unternehmen wie Nanovia erhöht die Festigkeit des Materials zusätzlich zur UV-Beständigkeit.
Unser Urteil
PETG ist eine Top-Empfehlung für den Druck im Außenbereich, weil es eine Mischung aus Eigenschaften, Erschwinglichkeit und breiter Verfügbarkeit von recycelten Versionen bietet.
ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylat)
ASA wurde speziell dafür entwickelt, rauen Außenbedingungen zu widerstehen, und ist daher die ideale Wahl für den 3D-Druck von Produkten und Teilen für den Außenbereich, die ihre mechanischen Eigenschaften oder ihre Farbe nicht verlieren.
- Hohe UV-Beständigkeit: ASA weist eine hohe UV-Beständigkeit auf, die eine langfristige Farbstabilität gewährleistet und eine Verschlechterung bei längerer Einwirkung von Sonnenlicht verhindert.
- Breiter Temperaturbereich: ASA behält seine mechanischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich bei, was seine Eignung für Produkte, die das ganze Jahr über im Freien stehen und im Winter gefrieren und im Sommer schwitzen können, weiter erhöht.
- Gute chemische Beständigkeit: ASA weist eine gute Beständigkeit gegen Chemikalien, Öle und Lösungsmittel auf und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen mit der Einwirkung verschiedener Substanzen zu rechnen ist.
- Mischungen für stärkere Eigenschaften: Um noch bessere mechanische Eigenschaften zu erzielen, sollten Sie Mischungen mit anderen Materialien wie ASA/PC und ASA/PVC in Betracht ziehen.
Unser Urteil
Obwohl ASA für den Außenbereich entwickelt wurde und starke mechanische Eigenschaften hat, ist der einzige Grund, warum es nicht unsere erste Wahl ist, dass ASA beim Druck potenziell schädliche Dämpfe abgibt und einen 3D-Drucker mit einer Düsentemperatur von bis zu 230 ºC erfordert. Wenn Sie jedoch ein Teil bei einem Druckdienstleister bestellen, wäre ASA unsere erste Wahl für alle Arten von Außenteilen. In diesem Artikel erhalten Sie einen ausführlicheren Überblick über ASA.
Nylon mit UV-Stabilisatoren
Nylon (PA 12 und das umweltfreundlichere PA11) ist für seine Festigkeit, Zähigkeit und Flexibilität bekannt, was es zu einem vielseitigen Material für Außenanwendungen macht. Wenn Sie sich für ein PA11 interessieren, das speziell für den Außenbereich geeignet ist, sollten Sie nach einem UV-stabilisierten Polyamid 11 suchen, das zusätzliche Additive enthält.
UV-Stabilisatoren sind Zusatzstoffe, die dem Nylonpolymer während der Filamentherstellung beigemischt werden. Ihre Aufgabe ist es, UV-Strahlung zu absorbieren oder zu blockieren und so zu verhindern, dass die Polymerketten aufgespalten werden, was zu Sprödigkeit, Verblassen der Farbe und Verlust der mechanischen Eigenschaften führt. UV-Absorber, wie z. B. Benzotriazole, absorbieren schädliche UV-Strahlen, bevor sie das Nylon abbauen oder verfärben können. Selbst mit UV-Stabilisierung kann die Beschichtung Ihrer Nylondrucke mit einem UV-beständigen Klarspray ihre Lebensdauer erheblich verlängern.
- UV-Beständigkeit: PA11 ist weniger anfällig für UV-Strahlen als PA12 und wird häufig für Außenanwendungen verwendet, bei denen eine längere Einwirkung von Sonnenlicht zu erwarten ist, wie z. B. bei Automobilkomponenten, Außengeräten und architektonischen Einbauten. Für einen zusätzlichen UV-Schutz können Sie Ihre Drucke mit einem UV-beständigen Klarlack beschichten, um den Schutz zu erhöhen.
- Chemische Beständigkeit: Nylon ist für seine Beständigkeit gegen viele gängige Chemikalien bekannt, darunter Öle, Fette, Kraftstoffe, Lösungsmittel und alkalische Lösungen. Beachten Sie jedoch, dass es dazu neigt, Feuchtigkeit zu absorbieren.
- Stoßfestigkeit: Nylon bietet eine ausgezeichnete Stoßfestigkeit und kann Biegungen und Verformungen widerstehen, ohne zu reißen oder zu brechen, wodurch es sich für Funktionsteile eignet, die unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sind.
Unser Urteil
Wenn Festigkeit und Haltbarkeit Ihrer Funktionsteile für den Außenbereich im Vordergrund stehen, gibt es nichts Besseres als PA11, insbesondere eine kohlenstofffaser- oder glasfaserverstärkte Version. Dieses Material ist unsere erste Wahl für Outdoor-Sportartikel und Teile, die eine Funktion haben, wie z. B. eine Klinke. Es ist auch ideal für Teile, die mit Chemikalien in Berührung kommen können, z. B. Motorabgase.
PC (Polycarbonat)
Polycarbonat (PC) ist oft die bevorzugte Wahl für Anwendungen, die ein Höchstmaß an UV-Beständigkeit erfordern, sogar noch mehr als PETG, obwohl es in der Regel teurer ist. Es ist auch ein bekannter Ersatz für Glas, denn es ist klar, 250 Mal schlagfester als Glas und kann gebohrt werden, ohne dass es zu Rissen kommt. PC ist natürlich nicht nur klar. Es kann Farben annehmen und lichtdurchlässig oder völlig undurchsichtig sein.
- UV-Beständigkeit: PC ist von Natur aus UV-beständig und eignet sich besonders gut für Anwendungen im Freien, bei denen die Sonneneinstrahlung ein wichtiger Faktor ist. Es wird häufig für Außenbeleuchtungsarmaturen verwendet. Einige PC-Materialien enthalten zusätzliche UV-Stabilisatoren in der Formulierung, um die Haltbarkeit im Freien weiter zu erhöhen.
- Mechanische Eigenschaften: PC wird aufgrund seiner ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, wie hohe Schlagfestigkeit, Festigkeit und Zähigkeit sowie gute Wärmebeständigkeit und Dimensionsstabilität, häufig für den 3D-Druck verwendet.
- PC-Mischungen: PC wird oft mit anderen Kunststoffen gemischt, um die Schlagzähigkeit zu erhöhen. PC-ABS, das zum Beispiel in Schwarz und Weiß erhältlich ist, wird für Produkte wie Drohnengehäuse und Ersatzteile verwendet, die eine höhere Festigkeit als ABS allein benötigen. Es gibt auch PC mit Zusätzen wie Kohlenstofffasern.
Unser Urteil
Für robuste und UV-beständige Außenteile, insbesondere für solche, die transparent oder lichtdurchlässig sein müssen, ist PC eine gute Wahl. Dieses Material ist unsere erste Wahl für Außenbeleuchtung. Es ist auch ideal für Drohnen- und UAV-Teile, die im Freien UV-Licht ausgesetzt sind und ihre Steifigkeit auch bei hohen Temperaturen beibehalten müssen.
TPU (Thermoplastisches Polyurethan)
TPU ist das bevorzugte Material für Außenteile, die flexibel sein müssen, wie z. B. Schlauchanschlüsse oder Räder. Das liegt zum Teil daran, dass es einfach nicht viele Alternativen gibt. Es gibt TPE (thermoplastisches Elastomer) für eine bessere Chemikalienbeständigkeit und TPC (thermoplastischer Copolyester) für eine bessere Hitzebeständigkeit im Vergleich zu TPU, aber die leichten Verbesserungen rechtfertigen je nach Anwendung möglicherweise nicht die höheren Kosten.
- Wetterbeständigkeit: TPU ist im Allgemeinen witterungsbeständig, kann aber unter extremen Temperaturbedingungen, insbesondere bei hohen Temperaturen, nicht gut funktionieren. Es hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt im Vergleich zu einigen anderen Materialien, was dazu führen kann, dass sich Ihre 3D-gedruckten Teile in heißen Umgebungen verformen.
- Wichtige Eigenschaften: TPU ist aufgrund seiner Flexibilität und Haltbarkeit die erste Wahl. Es ist ein hervorragendes Material für Funktionsteile, die sich biegen und Stöße absorbieren müssen.
- Anpassungsfähigkeit: Schreiben Sie TPU noch nicht ab! Es ist ein hochgradig anpassungsfähiges Polymer und Filamenthersteller haben es für alle Arten von spezifischen Anwendungen optimiert. BASF Forward AM bietet zum Beispiel sein Ultrafuse TPU 85A an, das für hohe Verschleiß- und Abriebfestigkeit formuliert ist, mit sehr guter Kälteflexibilität und hoher Beständigkeit gegen Öle, Fette, Sauerstoff und Ozon.
Unser Urteil
Obwohl sich viele TPU-Marken im Laufe der Zeit aufgrund von UV-Strahlung und Wasseraufnahme verschlechtern, gibt es einige Sorten, die für den Einsatz im Freien entwickelt wurden. Sie müssen zwar mehr bezahlen, aber wenn Flexibilität und Haltbarkeit Ihre obersten Prioritäten sind, ist dies die beste Option für Sie.
PP (Polypropylen)
Polypropylen (PP) ist ein vielseitiger thermoplastischer Kunststoff, der wegen seiner physikalischen Festigkeit und außergewöhnlichen chemischen Beständigkeit sehr geschätzt wird. Bei der Verwendung im Freien zeichnet es sich durch seine geringe Feuchtigkeitsaufnahme aus, die es sehr undurchlässig macht.
- UV-Beständigkeit: Der größte Nachteil von PP ist seine geringe UV-Beständigkeit. Längerer Kontakt mit UV-Licht kann im Laufe der Zeit zu einer Verschlechterung führen, es sei denn, Ihr PP-Filament verfügt über UV-blockierende Zusätze.
- Mechanische Eigenschaften: Eine der wichtigsten Eigenschaften von PP ist sein ausgezeichnetes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, was es zu einem bevorzugten Material für leichte, langlebige Produkte wie Rohre, Wassertanks und Armaturen macht, da es korrosionsbeständig und langlebig in verschiedenen privaten und industriellen Anwendungen ist.
- Wasserbeständigkeit: PP eignet sich hervorragend für Projekte im Außenbereich, die sowohl stark als auch wasserbeständig sein müssen, wie z. B. Teile für Sprinklersysteme. Tatsächlich wird das Material häufig in traditionellen Herstellungsverfahren wie dem Spritzgussverfahren für Rasenmöbel verwendet, da es in den warmen Sommermonaten zäh und flexibel ist, in kalten Wintern jedoch spröde werden kann.
Unser Urteil
Für wasserbezogene 3D-Druckprojekte wie Schlauchanschlüsse, Entlüftungsöffnungen für Klimaanlagen und Springbrunnenprojekte gibt es nichts Besseres als PP. Ja, PVC wird oft für Rohrleitungen verwendet und man kann damit 3D drucken, aber seine hohe Toxizität und die Gefahren beim 3D-Druck veranlassen uns, stattdessen PP zu empfehlen.
PLA UV-Farbwechsel
Wir haben dieses Material in die Liste aufgenommen, nicht weil es den Elementen standhält, sondern weil es einfach Spaß macht! Das PLA UV-Farbwechsel-Filament, das heute von einer Vielzahl von Herstellern angeboten wird, hat die üblichen PLA-Eigenschaften, die im Allgemeinen nicht ideal für den langfristigen Einsatz im Freien sind, verfügt aber über ein einzigartiges Merkmal, das sich von allen anderen unterscheidet: die Fähigkeit, die Farbe zu ändern, wenn es UV-Licht, d. h. Sonnenlicht, ausgesetzt wird.
- UV-beständig: Diese Filamente sind das Gegenteil von UV-beständig und absorbieren tatsächlich Sonnenlicht, was einen Farbwechsel auslöst. Wenn das 3D-Druckteil aus dem Licht genommen wird, nimmt es seine ursprüngliche Farbe wieder an. Welche Farbe zu welcher sonnenaktivierten Farbe wechselt, ist nicht bei allen Filamentherstellern gleich, also achten Sie auf das Etikett. Der Materialhersteller R3D bietet zum Beispiel ein Filament an, das von Weiß zu Blau wechselt, und ein anderes, das von Gelb zu Grün wechselt.
- Mechanische Eigenschaften: Wenn Sie sich fragen, warum normales PLA nicht auf unserer Liste der für den Außenbereich geeigneten Materialien steht, liegt das vor allem an seiner geringen Hitzebeständigkeit. PLA neigt dazu, sich bereits bei 40 °C zu verformen und durchzuhängen. Wenn Sie PLA wirklich im Freien verwenden möchten, sollten Sie sich nach einem der speziell formulierten Hochtemperatur-PLAs umsehen.
Unser Urteil
Für ein lustiges 3D-Druckprojekt, das für die Sonne bestimmt ist, wie z. B. Strandspielzeug für Kinder, ist dies eine perfekte Wahl. Es ist vielleicht nur für ein paar Jahre haltbar – lange genug, damit Ihr Kind aus ihm herauswächst – und dann kann es kompostiert werden, wenn Ihre Gemeinde eine industrielle Kompostierungsmöglichkeit hat.
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Titelbild: Phio79 via Printables
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