3D-tulostusmateriaalien UV-vanheneminen

Näistä neljästä vertailtavasta 3D-tulostusmateriaalista ASA on ainoa, joka on suunniteltu pysyvään UV- ja säänkestävyysrasitukseen ulkokäytössä; PLA ja tavallinen PETG eivät sovellu siihen. Lyhytaikaisessa UV-C-säteilytyksessä näiden kahden jälkimmäisen järjestys kääntyy: 24 tunnin jälkeen 254 nm:ssä PETG menettää 38 % vetolujuudestaan, PLA vain 9 % [1]. "Auringonvalon kestävä" ja "UV-C:tä kestävä" eivät siis ole keskenään vaihdettavia ominaisuuksia.

Ulkokäytössä tai UV-säteilytyksen alaisena käytettävät 3D-tulostetut muoviosat muuttuvat ajan myötä: ne voivat haalistua, haurastua tai menettää lujuutta. Syynä on korkeaenerginen ultravioletti (UV) -säteily, joka voi katkoa kemiallisia sidoksia polymeerissä – tätä prosessia kutsutaan fotooksidatiiviseksi vanhenemiseksi. Yleisesti erotetaan kolme aluetta:

• UV-A (315–400 nm): auringon UV-valon suurin osuus, vastuussa hitaasta, kuukausien ja vuosien mittaisesta vanhenemisesta.
• UV-B (280–315 nm): auringonvalon energisempi osuus, joka nopeuttaa vanhenemista edelleen.
• UV-C (200–280 nm): ei luonnossa juuri lainkaan saavuta maan pintaa, mutta sitä käytetään tarkoituksellisesti desinfiointilaitteissa, koska se tehottomoi mikro-organismeja erityisen tehokkaasti – ja samasta syystä voi hyökätä erityisen voimakkaasti muovien kimppuun [8].

Mutta kuinka stabiileja yleiset 3D-tulostusmateriaalit – PLA, TPU, PETG ja ASA – ovat UV-valoa ja UV-C-säteilyä vastaan? Seuraava yhteenveto kertoo, mitä voidaan tukea mitatulla datalla ja missä näyttö jää ohueksi.

Spektrialueet itsessään käsitellään yksityiskohtaisesti sivulla Mitä on UV-säteily?, materiaalien vanhenemismekanismit sivulla UV-vanheneminen, värinkestävyys ja fotostabiilisuus. Mittaustekniikka tulostus- ja jälkikovetusprosessia varten käsitellään sivulla UV-mittaus ainesta lisäävään valmistukseen ja 3D-tulostukseen.

Mainituissa tutkimuksissa UV-vaurioita kuvataan kolmen mekaanisen suureen avulla. Jokainen niistä kertoo eri asian:

• Vetolujuus: pinta-alaa kohti laskettu voima, jonka kappale kestää repeämättä. Vetolujuuden lasku UV-altistuksen jälkeen tarkoittaa, että materiaali on heikentynyt.
• Murtovenymä: kuinka pitkälle materiaalia voidaan venyttää ennen murtumista. Murtovenymän pienentyminen osoittaa, että materiaali muuttuu haurammaksi.
• Haurastuminen: polymeeri menettää joustavuutensa ja murtuu helpommin – usein näkyvä varhainen merkki UV-vaurioista.

Vertailluista neljästä materiaalista ASA soveltuu parhaiten jatkuvaan UV- ja säänkestävyysrasitukseen; PLA ja tavallinen PETG eivät sovellu siihen. Yksi keskeinen havainto on tavallista odotusta vastaan: hallitussa UV-C-säteilytyksessä 24 tunnin aikana PETG menettää huomattavasti enemmän lujuutta (−38 %) kuin PLA (−9 %) [1]. Tämä osoittaa, että "hyvä auringonvalossa" ei automaattisesti tarkoita "hyvä UV-C-säteilyssä" – kahden säteilytyypin vaikutus samaan polymeeriin on erilainen.

Seuraavassa taulukossa käyttäytyminen luonnollisessa säärasituksessa esitetään rinnakkain UV-C-säteilytyksen alaisen käyttäytymisen kanssa. PLA:n ja PETG:n UV-C-arvot ovat samasta testisarjasta ja siksi suoraan vertailukelpoisia; TPU:lle ja ASA:lle vastaavalla menetelmällä tehtyjä mittauksia ei ole saatavilla.

PLA on 3D-tulostuksen peruslaatuinen materiaali: edullinen ja helppo tulostaa, mutta herkkä lämmölle ja UV-valolle.

• Ei yleensä UV-stabiili: haurastumista ja värjäytymistä pitkäaikaisessa ulkokäytössä [2].
• UV-C-säteilyssä (24 h, 10 W/m², 254 nm): ei näkyviä muutoksia, vetolujuus −9,1 % (29,54–26,86 MPa), puristuslujuus −13,1 %, kimmomoduuli käytännössä muuttumaton (−1,9 %, ei tilastollisesti merkitsevä) [1].
• Johtopäätös: lyhytaikainen UV-C-altistus kestetään mekaanisesti suhteellisen hyvin, pysyvä ulkosäänrasitus ei.

TPU on kumimainen, joustava materiaali, jota voidaan taivuttaa ja venyttää – esimerkiksi tiivisteisiin tai kädensijoihin.

• Vakio-TPU ei ole UV-stabiili [3].
• UV-lisäaineiden – kuten titaanidioksidia tai sinkkioksidia sisältävien täyteaineiden, jotka absorboivat UV-valoa – ansiosta UV-kestävyys sekä vetolujuuden ja murtovenymän säilyminen UV-vanhenemisen jälkeen parantuvat selvästi; lähde ei anna tarkkoja lukuja [3].
• Luotettavaa UV-C-kohtaista tietoa ei ole saatavilla.

PETG on sitkeämpää ja iskunkestävämpää kuin PLA, ja sitä käytetään siksi usein toiminnallisissa osissa.

• Parempi säänkestävyys kuin PLA:lla, mutta ei suunniteltu jatkuvaan UV-altistukseen; voi muuttua kumimaiseksi ja pehmeäksi jatkuvassa auringonvalossa [4].
• UV-C-säteilyssä (olosuhteet samat kuin PLA:lla): huomattavasti enemmän vaurioita kuin PLA:lla – vetolujuus −38,1 % (31,30–19,48 MPa), puristuslujuus −33,9 %, murtovenymä 3,06 %:sta 1,36 %:iin (voimakas haurastuminen), näkyvää kellastumista ja kiillon menetystä [1].
• Erityisesti UV-stabiloituja PETG-laatuja on olemassa ulkokäyttöön (korkein jatkuva käyttölämpötila 70 °C), mutta ne eivät ole samoja kuin tavanomainen 3D-tulostuksen PETG [5].

ASA kehitettiin erityisesti ulkokäyttöön, ja sitä pidetään säänkestävimpänä tässä vertailluista tulostusmateriaaleista.

• Kehitetty erityisesti UV- ja säänkestävyyttä varten: ABS:n UV-herkkä kumikomponentti on korvattu UV-stabiilimmalla akryyliesterillä [2].
• Säilyttää noin 85 % vetolujuudestaan 2 000 tunnin UV-säteilytyksen jälkeen ASTM G154:n mukaisessa laboratoriotestissä [6].
• 122 vuorokauden ulkotesti: ei merkittävää ominaisuuksien heikkenemistä voimakkaassa UV-altistuksessa [7].
• Kvantifioituja UV-C-spesifisiä mittauksia ei ole saatavilla. Laboratoriolausunto 100 h:n suorasta UV-C-säteilytyksestä ilman havaittavaa muutosta on uskottava yleisen UV-kestävyyden perusteella, mutta se ei ole menetelmällisesti verrattavissa PLA/PETG-tutkimukseen.

PLA:n ja PETG:n UV-C-arvot ovat peräisin testisarjasta, joka julkaistiin Polymers-lehdessä vuonna 2021 [1]. Tulostettuja näytekappaleita säteilytettiin 24 tuntia aallonpituudella 254 nm ja irradianssilla 10 W/m², takalevyn lämpötilan ollessa 50 °C; näytteet jäähtyivät sen jälkeen neljä tuntia huoneenlämmössä ennen veto- ja puristuskokeiden suorittamista. Julkaisussa mainitaan käytetyksi säteilytyslaitteeksi Opsytec Dr. Gröbelin UV-säteilytyskammio BS-02.

Kaksi seikkaa ratkaisee, voidaanko tällaisia arvoja siirtää omaan sovellukseen. Ensinnäkin ne viittaavat näytteen kohdalla mitattuun irradianssiin ja siitä johdettuun annokseen, ei laitteen asetusarvoon – mittaamatta säteilytykset eivät ole vertailukelpoisia. Toiseksi ne pätevät näytekappaleisiin, joilla on määritelty kerrospaksuus, suuntaus ja täyttöaste; seinämän paksuus, täyttösuhde ja värin pigmentointi muuttavat tulosta huomattavasti. Sen, jonka on osoitettava jonkin tietyn osan UV-kestävyys, on siksi testattava se omassa asetelmassaan: UV-säteilytyskammiot tarjoavat toistettavat reunaehdot, olennaiset standardit ja ohjeet puitteet testausolosuhteille.

• Jatkuva ulkokäyttö korkeassa UV-altistuksessa: suositaan ASA:ta.
• Lyhyet tai toistuvat UV-C-desinfiointijaksot tuntien mittakaavassa: ainoassa saatavilla olevassa vertailututkimuksessa PLA osoittaa pienempiä mekaanisia menetyksiä kuin tavallinen PETG.
• ASA UV-C:n alaisena: PLA:han ja PETG:hen verrattavan menetelmän mukaisia tietoja ei tältä osin vielä ole. Turvallisuuden kannalta merkittävät osat kannattaa testata itse, esimerkiksi UV-C-säteilytyskammiossa.
• TPU: käytettävä ulko- ja UV-sovelluksiin vain UV-stabiloivilla lisäaineilla.

Osat, joita ei tulosteta vaan liimataan tai valetaan, ovat omien reunaehtojensa alaisia; nämä käsitellään kohdassa UV-kovettuvat liimat, pinnoitteet ja valumassat.

1. Amza CG, Zapciu A, Baciu F, Vasile MI, Popescu D: 3D-tulostettujen polymeerien vanheneminen steriloivan UV-C-säteilyn alaisena. Polymers 13(24):4467, 2021.
2. Spectrum Filaments: ASA 275 selitettynä – oikea filamentti ulkokäyttöön.
3. Wang A, Guo J, Shao C, Chen C: Joustavat termoplastiset polyuretaanikomposiitit UV-kestävyydellä FDM-3D-tulostukseen. 3D Printing and Additive Manufacturing, 2024.
4. Makelab: PETG vs. ASA.
5. Noltewerk: PETG UV -tekninen tietolomake (PDF).
6. Forge Labs: ASA-materiaalin ominaisuudet.
7. Habr: 122 päivän vertaileva UV-testi 3D-tulostusmateriaaleille.
8. Teska P (NIST): Yleisten terveydenhuollon polymeeripintojen vaurioituminen UV-C-altistuksesta (PDF).

Toimituksen tila: 3. syyskuuta 2026.

Kysymykseen siitä, kestääkö painettu osa käyttöpaikkansa UV-altistuksen, saadaan vastaus vain testillä, jossa on määritelty säteilytys ja mitattu annos. Toimitamme siihen tarvittavan mittaustekniikan: UV-säteilytyskammiot, kuten BS-02 toistettaviin vanhenemistesteihin laboratoriossa, UVpad-spektroradiometri ja Radiometri RMD Pro spektrin, irradianssin ja annoksen mittaamiseen suoraan osasta. Lähettäkää meille kysymyksenne.