PLA vs. PETG vs. TPU: Welche 3D-Druck-Filamente überstehen ein FTC-Match wirklich?
Standard-PLA splittert unter der harten Defense bei FTC-Turnieren. Um Kollisionen im Match zu überstehen, müssen Belastungsdynamik und Filamenteigenschaften aufeinander abgestimmt sein: TPU für Energieabsorption, PETG für duktile strukturelle Lasten und PLA nur dort, wo Steifigkeit vor Schlagfestigkeit geht.
In einem Match der FIRST Tech Challenge versagt Standard-PLA aus einem einzigen mechanischen Grund: Sprödigkeit bei hoher Verformungsgeschwindigkeit (Strain-Rate). Wenn ein 18 Kilogramm schwerer Allianzpartner im Vollsprint in das eigene Chassis kracht oder ein Intake an der Feldbegrenzung blockiert, gibt PLA nicht nach und verformt sich nicht – es splittert sauber entlang der Schichtlinien ab. Ein Roboter, der in der Werkstatt zuverlässig funktioniert, wird in den regionalen Playoffs Matches verlieren, wenn die Filamentmaterialien nicht gezielt nach mechanischer Belastungsart zugewiesen werden.
Die Turnierrealität: Wie FTC-Bauteile tatsächlich versagen
Ein FTC-Match dauert 150 Sekunden, in denen individuell gedruckte Bauteile drei verschiedenen Versagensarten ausgesetzt sind:
- Kinetischer Schock und Scherkräfte: Kollisionen bei hoher Geschwindigkeit während der Cycle-Fahrten und bei der Defense. Auskragende Intakes und Kamerahalterungen an den Hauptprofilen fangen die Hauptlast dieser dynamischen Stoßkräfte ab.
- Blockiermoment-Verformung und Ausreißen: Blockierende Planetenmotoren und Getriebeuntersetzungen mit hohem Drehmoment übertragen blitzartige Scherkräfte auf Ritzelzähne, Sechskantbohrungen (Hex Bores) und Servohebel.
- Zyklische Ermüdung und Kriechen: Kontinuierliche Riemenspannung oder Federvorspannung an Strukturhaltern führt über einen langen Turniertag zu Mikronachgiebigkeit, was letztlich in schiefen Wellen oder gebrochenen Motorplatten resultiert.
Um einen kompletten Ausscheidungswettbewerb (Elimination Bracket) zu überstehen, muss man sich von der Gewohnheit verabschieden, den gesamten Roboter aus einer einzigen Spule Standard-PLA zu drucken.
| Filament | Haupteigenschaft (Mechanische Festigkeit) | Hauptsächliche Versagensart | Idealer FTC-Einsatzbereich |
|---|---|---|---|
| Standard-PLA | Hohe Zugsteifigkeit, kaum Verzug (Warping) | Katastrophaler Sprödbruch | Statische Elektronikhalterungen, Distanzstücke (Spacers), Prototyping |
| PETG | Duktilität, hervorragende Schichthaftung | Fließen/Nachgeben unter hoher Dauerlast | Getriebeplatten, strukturelle Halterungen, Motorhalterungen |
| TPU (95A / 85A) | Elastische Energieabsorption, keine Schichtdelamination | Unkontrollierte Durchbiegung bei mangelnder Abstützung | Intake-Flaps, Odometrie-Pods (Dead-Wheel Pods), Bumper-Anschläge |
Intakes und Spielelement-Greifer: Das TPU-Gebot
Intake-Mechanismen befinden sich in der Hochrisikozone außerhalb des geschützten Roboterrahmens. Starre Intake-Flaps oder Führungslaschen aus PLA brechen schon beim ersten Mal, wenn Fahrende den Abstand zur Spielfeldbande falsch einschätzen oder ein Spielelement in einem ungünstigen Winkel eingezogen wird.
Thermoplastisches Polyurethan (TPU), insbesondere mit einer Härte von 95A Shore, löst dieses Problem durch elastische Verformung. Trifft eine TPU-Intake-Rolle auf eine Feldbegrenzung, biegt sie sich weg und federt zurück, ohne strukturellen Schaden zu nehmen oder die Stoßenergie auf die Motorwellen zu übertragen. Für nachgiebige Räder (Compliant Wheels) und Intake-Sterne bietet 85A-TPU eine hervorragende Oberflächenreibung, um glatte Spielelemente zu greifen – der Kauf teurer handelsüblicher Silikonrollen wird dadurch überflüssig.
Der Druck von TPU erfordert einen Direct-Drive-Extruder und geringe Druckgeschwindigkeiten (20 bis 30 mm/s). Wenn der Werkstattdrucker über ein Bowden-System verfügt, verhindert die frühzeitige Standardisierung auf flexible Bauteile in der Bausaison hektische Neukonstruktionen in der Boxengasse zwischen den Qualifikationsmatches.
Strukturhalter und Servohalterungen: Warum PETG gewinnt
Bei Motorhalterungen, Halterungen für Odometrie-Räder (Dead Wheels) und Chassis-Knotenblechen (Gussets) besteht das primäre Konstruktionsziel darin, katastrophales Versagen bei Stoßbelastungen zu verhindern und gleichzeitig die Formstabilität zu wahren. Polyethylenterephthalat-Glykol (PETG) bietet genau die Duktilität, die PLA fehlt.
Unter extremer Defense biegt sich eine PETG-Halterung leicht, bevor sie bricht. Dabei absorbiert sie kinetische Energie, sodass der Mechanismus bis zum Ende des Matches einsatzbereit bleibt. Darüber hinaus weist PETG bei geeigneten Drucktemperaturen (typischerweise 230 °C bis 240 °C) eine deutlich höhere Schichthaftung als PLA auf, wodurch Bauteile weitaus weniger anfällig für Delamination entlang horizontaler Druckausrichtungen sind.
Der Kompromiss liegt in der mechanischen Steifigkeit: PETG hat einen niedrigeren Elastizitätsmodul (E-Modul) als PLA, was bedeutet, dass sich dünnwandige Teile unter Last biegen. Um dem entgegenzuwirken, sollte man die Wandstärke erhöhen und dreieckige Verrippungen (Gussets) in die CAD-Geometrie integrieren, anstatt sich auf dichtes Infill zu verlassen.
Wo PLA weiterhin hingehört (und wie man es stabil druckt)
PLA ist in FTC keineswegs obsolet; es wird schlicht oft falsch eingesetzt. PLA hat einen höheren Elastizitätsmodul als PETG und ist daher die überlegene Wahl für Anwendungen mit hoher Steifigkeit, bei denen dynamische Stöße minimal sind. Odometriesensor-Gehäuse, Akkuhalterungen, Sensorhalter und interne Kabelführungen profitieren von der absoluten Maßhaltigkeit und dem ausbleibenden Verzug (Warping) von PLA.
Wenn PLA an teilstrukturellen Stellen eingesetzt werden muss, sollten die Slicer-Einstellungen angepasst werden, um Zugfestigkeit gegenüber Druckgeschwindigkeit zu priorisieren:
- Wandlinien (Perimeter) erhöhen: Mindestens 4 bis 5 Wandlinien einstellen. Außenwände nehmen Biege- und Zugspannungen wesentlich effektiver auf als das innere Infill.
- Heiß und langsam drucken: Das Hotend am oberen Ende des Temperaturbereichs des Filamentherstellers betreiben (z. B. 215 °C–220 °C bei Standard-PLA) und die Bauteilkühlung auf 50–70 % reduzieren, um die thermische Verschmelzung der Schichten zu maximieren.
- Druckausrichtung optimieren: Bauteile im Slicer so ausrichten, dass primäre Scherkräfte parallel zu den Filamentsträngen verlaufen und nicht senkrecht über die Schichtlinien hinweg.
Praxistipps für die Werkstatt in Südafrika
Für südafrikanische Teams hängt die Filamentauswahl auch von den Bedingungen in der Werkstatt ab. In Küstenregionen wie Kapstadt oder Durban sind PETG und TPU extrem hygroskopisch; bleibt eine Spule bei feuchtem Wetter eine Woche lang offen liegen, führt das zu starkem Stringing, Knistern an der Düse und verminderter Schichthaftung. Eine einfache luftdichte Trockenbox (Dry-Box) mit Trockenmittel ist unerlässlich.
Zudem sind lange Struktur-Drucke durch die häufige Stromunsicherheit und Load-Shedding-Zeitpläne während der Bausaison gefährdet. TPU und PETG benötigen beheizte Druckbetten (70 °C bis 80 °C) und konstante Umgebungstemperaturen; ein Stromausfall während des Drucks führt fast immer dazu, dass sich PETG-Teile beim Abkühlen des Betts von der Druckplatte lösen. Kritische mechanische Halterungen sollten daher in modulare, schnell druckbare Komponenten (unter 3 Stunden) unterteilt werden, anstatt große, monolithische Chassisteile zu drucken.
Teams, die nach lokalen Hardware-Standards und Wettbewerbsleitfäden suchen, finden technische Ressourcen über die FTC-Programme von Sheen Robotics.
Die optimale Materialverteilung
Ein widerstandsfähiger FTC-Roboter benötigt keine exotischen, teuren Hochleistungskunststoffe wie carbonfaserverstärktes PEEK. Er nutzt das richtige Basispolymer an der richtigen Stelle:
- TPU (95A/85A) für alle exponierten Intake-Elemente, Spielfeld-Kontaktflächen und flexiblen Sensorhalterungen.
- PETG mit 4+ Wandlinien für alle strukturellen Halterungen, Motorplatten und lasttragenden Gestänge.
- PLA beschränkt auf interne Strukturversteifungen, Elektronikgehäuse und schnelle Geometrie-Prototypen.
Wer seine Mechanismen bereits in der Prototypenphase anhand dieser physikalischen Eigenschaften auslegt, stellt sicher, dass der Roboter auch in den Playoff-Finalrunden in einem Stück bleibt.
