Eigenschaften und Optimierung von PLA: Wasserfestigkeit, UV-Beständigkeit und Festigkeit

PLA (Polylactide) zählt zu den beliebtesten 3D-Druck-Materialien: Es ist biologisch abbaubar, einfach zu verarbeiten und bietet ein schönes Druckbild. Gleichzeitig stößt PLA in Anwendungen im Außenbereich oder bei mechanischer Beanspruchung manchmal an seine Grenzen. Im Folgenden werden die drei wichtigsten Eigenschaften – Wasserfestigkeit, UV-Beständigkeit und mechanische Festigkeit – sachlich erläutert und praxisnahe Tipps gegeben, um sie gezielt zu verbessern.

1. Wasserfestigkeit von PLA

1.1 Aktueller Stand

• PLA ist hygroskopisch und nimmt Wasser auf, wenn es längere Zeit feuchter Umgebung ausgesetzt ist.

• Eindringende Feuchtigkeit kann zu einer Aufweichung oder Blasenbildung im Druck führen und die Maßhaltigkeit beeinträchtigen.

1.2 Tipps zur Verbesserung

1. Oberflächenversiegelung – Lackieren mit Klarlack (Acryl oder Polyurethan) bildet eine wasserdichte Barriere. – Epoxidharz-Beschichtung dichtet extrem gut ab, erfordert aber präzises Auftragen und Aushärtungszeit.

2. Wärmebehandlung (Annealing) – Durch temperiertes Nachwärmen (70–80 °C für 30–60 Minuten) erhöht sich der Kristallinitätsgrad. – Ergebnis: geringere Wasseraufnahme und bessere Dimensionsstabilität.

3. Filament-Trocknung – Vor dem Drucken das PLA-Filament bei 40–50 °C (z. B. im Trockenofen) entfeuchten. – Trockene Rohware reduziert Porosität und macht das Druckobjekt widerstandsfähiger gegen Feuchtigkeit.

2. UV-Beständigkeit von PLA

2.1 Aktueller Stand

• Unadditiviertes PLA vergilbt unter UV-Bestrahlung und verliert mit der Zeit an mechanischer Festigkeit.

• Die Polymerketten werden durch Sonnenlichts-Bestrahlung teilweise gebrochen, was zu spröderen und brüchigeren Teilen führt.

2.2 Tipps zur Verbesserung

1. UV-Stabilisatoren im Filament – Spezielle Additive (z. B. Hindered Amine Light Stabilizers, HALS) lassen sich bereits im Filament einbringen. – Sie absorbieren UV-Strahlen und verlängern die Lebensdauer um ein Vielfaches.

2. Decklack mit UV-Schutz – Spezielle Sprühlacke oder Klarlacke mit UV-Absorbern schützen die Oberfläche zusätzlich. – Regelmäßiges Nachbessern der Lackschicht ist empfehlenswert.

3. Pigmentierung – Dunkle oder opake Farben (Schwarz, Grau, Metalltöne) reflektieren weniger UV-Licht ins Material. – Helle und transparente Anteile vergilben schneller.

3. Mechanische Festigkeit von PLA

3.1 Aktueller Stand

• PLA hat eine moderate Zug- und Biegefestigkeit: – Zugfestigkeit: ca. 50–70 MPa – Biegefestigkeit: ca. 75–100 MPa

• Im Vergleich zu technischen Kunststoffen (z. B. ABS, PETG) ist PLA spröder und weniger stoßanfällig.

3.2 Tipps zur Verbesserung

1. Druckparameter optimieren – Höhere Düsentemperaturen (200–220 °C) verbessern die Layer-Haftung. – Erhöhter Perimetershell (z. B. 3–4 Außenwände statt 2) steigert die Stabilität.

2. Infill-Struktur und -Dichte – Komplexe Muster (Honeycomb, Gyroid) verteilen Lasten gleichmäßiger. – Eine höhere Fülldichte (z. B. 40 % statt 20 %) erhöht Gewicht und Festigkeit.

3. Verbundwerkstoffe einsetzen – PLA mit Holz-, Kohle- oder Glasfasern (Composite-Filamente) erreicht deutlich höhere Steifigkeit. – Bedruckung erfordert härtere Düsennadeln (z. B. gehärteter Stahl).

4. Nachbehandlung mit Aceton oder Dichlormethan – Kurzes Besprühen kann die Oberfläche glätten und feine Risse schließen. – Achtung: Chemikalieinsatz erfordert gute Belüftung und persönliche Schutzausrüstung.

4. Zusammenfassung

PLA besticht durch Umweltfreundlichkeit und einfache Verarbeitbarkeit, zeigt jedoch Schwächen bei Wasser-, UV- und mechanischer Beständigkeit. Mit gezielten Maßnahmen wie Oberflächenbeschichtungen, Wärmebehandlung, Additiven und optimierten Druckeinstellungen lassen sich diese Eigenschaften deutlich verbessern. So kann PLA auch für anspruchsvollere Anwendungen – von Garten-Dekorationen bis hin zu funktionalen Prototypen – genutzt werden.