Häufig werden bei 3D-Druck-Filamenten die mechanischen Festigkeiten und physikalischen Eigenschaften des Kunststoffs diskutiert, aber im Gegensatz zur Spritzgußtechnik oder zur Extrusion von Kunststoffen ergibt sich beim 3D-Druck aus verschiedenen technologischen Gründen ein ganz anderes Bild.

Dies ist beim Stand der Technik noch ein großes Hindernis für den Einsatz dieser Technologie in der Industrie, denn belastbare, berechenbare und gesicherte Festigkeitswerte für den Druckkörper sind nicht vorhanden und die Reproduzierbarkeit ist ein großes Hindernis für die Qualitätssicherung.

Beim Fertigungsverfahren der Fused Filament Fabrication, wie diese Form des Rapid Prototyping bezeichnet wird, liegt es an der speziellen Fadenlegung und Schichtung, dass die Materialwerte an sich deutlich weniger Einfluß auf die Festigkeit des Druckkörpers haben, als die verschiedenen FDM-Drucksoftware-Parameter wie z.B. Schichthöhe.

Dual-Druckteil Multirap 3D-Drucker zweifarbdruck

 

Dieser Blog soll Tipps zur Optimierung von Druckteilen mittels Druckparametern, Konstruktionshinweisen und Materialeinflüssen . Dieser erste Beitrag zeigt die Festigkeit aus der Sicht der wichtigsten Druckparameter auf, die Einfluss auf die Verschweißung der Fäden und Schichten miteinander haben und damit die Bauteilfestigkeit deutlich mehr definieren als die Materialparameter.

Grundlagen beim FDM-Druck

Da beim FDM-Druck ein runder Kunststoff-Faden abgelegt in Schichten das Druckteil erzeugt, ist von vorn herein klar, dass ein solcher Körper nie die Festigkeiten eines massiven Spritzgußkörpers erreichen kann.

Die einzelnen Fäden treten mit einem runden Querschnitt aus der Düse aus und werden im Allgemeinen in flachen Ovalen abgelegt, die sich gegenseitig und auch die darunterliegenden Schichten also nur in gewissen Bereichen berühren. Diese Berührungslinien verschweißen mit der darunter liegenden Schicht indem sie heiß aufgetragen werden und durch den punktuellen Wärmeeintrag die übereinander liegenden Flächen verschweißen.

Im Querschnitt sieht das so aus mit 4 Schichten von oval aufgetragenen Kunststoff-Fäden.

layerskizze senkrecht

 

 

Diese Skizze zeigt, dass zwischen den Schichten, in der Technologie als Layer bezeichnet, nur über einen schmalen Bereich Verschweißungen statt finden, dazwischen befinden sich Lücken. Für die Kraftübertragung heißt das: alle Kräfte müssen über die kurzen Schweißnähte übertragen werden.

Diese Fertigungsweise führt dazu, dass die Belastbarkeit von Druckkörpern nicht in allen Richtungen gleich hoch ist, und dass speziell die Verbindung zwischen den Schichten die Festigkeit stark reduziert. Was in der Praxis dazu führt, dass Druckteile bei Überlastung vorwiegend zwischen den Lagen versagen.

Das ist ein wichtiger Punkt für die Konstruktion und die Druckrichtung von FDM-Druckteilen. Man sollte die Hauptkraftrichtung möglichst nicht in Schichtebenen legen.

Für die Bindenahtfestigkeit ist ein weiterer Nachteil, dass das Verschweißen der neu aufgetragenen Fäden mit den vorigen Lagen nur in einem begrenzten Wärme-Einflußbereich erfolgen kann. Nur so weit, wie die Wärme des momentanen Filament-Auftrags auch in die unteren Schichten eindringt, wird dort das Material eine gute Verschweißung mit den vorigen Fäden bilden.

Also ist klar: je mehr heißes Material aufgetragen wird, umso besser wird Wärme zum Verschweißen zur Verfügung stehen, es wird jedoch nie der Festigkeitswert des verarbeiteten Kunststoffs erreicht. Wie beim Schweißen von Metallen bestehen in Schweißnähten bei Kunststoffen reduzierte Festigkeiten, diese sind umso geringer, je weniger Material in der Schweißnaht aufgeschmolzen wird.

Auch wenn der Füllgrad der Teile relativ hoch gewählt wird, bleibt das Problem bestehen: es bleiben Lücken und es wird nur so gut verschweißt, wie auch der Wärmeeintrag noch in die vorigen Schichten eindringt.

In Zusammenarbeit mit Hochschulen und mit langjähriger Druckerfahrung sind folgende Parameter wichtig um die Bindenahtfestigkeit zu optimieren:

Erstens sollte die Fadenbreite im Verhältnis zur Schichthöhe möglichst groß sein, das heißt das Verhältnis der Breite zur Höhe des abgelegten Fadens. Je breiter das Kunststoff-Oval im Verhältnis zur Höhe, umso breiter die verschweißte Fläche.

Man sollte daher bei festigkeitsoptimierten Teilen auf eine möglichst große Breite im Verhältnis zur Schichthöhe wählen.

Dieser Parameter lässt sich in Simplify3d unter Extruder in der Breite einstellen. Skeinforge hat bei den Perimetern, den außen abgelegten, umlaufenden Fäden, ein Verhältnis von 1,8 von Breite zu Höhe in den Voreinstellungen, damit hat der Faden bei einer Schichthöhe von 0,4mm eine Breite von 0,72mm. Weil aber ein Oval aufgetragen wird, ist die tatsächliche Verschweißbreite nochmal kleiner.

lagenhoehe breitenverhaeltnis

Bei dem Rechenbeispiel wird auch der Einfluss der Schichthöhe deutlich: je kleiner die Schichthöhe umso kleiner auch die verbundene Fläche.

Je größer die Schichthöhe umso größer der Lagenverbund, dies gilt aber auch aus einem zweiten Grund: Je größer die Schichthöhe umso größer ist die eingebrachte Wärme. Ganz einfach weil mehr heißes Material eingebracht wird, wird mehr Energie eingebracht, die die Verschweißung der Lagen verbessert.

Dazu auch eine Skizze für ein Teil mit einer 45°-Schrägung, das zeigt, dass hier die Schweißnähte noch weniger Fläche haben:

geneigte Lagen

Fazit für Lagenhöhe und Fadenbreite

Je dicker die Schichten, desto höher und besser ist die Verschweißung zwischen den Lagen und je breiter die Fadenbreite im Verhältnis zur Höhe um so länger die Schweißnaht zwischen den Lagen.

Makro-Aufnahmen der Bindenaht aus einem Bindenaht- Festigkeitsversuch

Hier zur Anschauung noch ein paar Makroaufnahmen nach einer Zerreißprobe.

vlcsnap 2015 05 11 11h21m35s365

Deutlich ist hier sichtbar, dass sowohl die Lagen miteinander als auch die Fäden seitlich miteinander nur eine begrenzt verschweißte Fläche haben.

Die Fotos stellen eine Lagenhöhe von 0,4mm mit Lagenbreite 0,72mm dar.

vlcsnap 2015 05 11 11h20m58s682

To be continued:

- Welche Kunststoffe welche Schweißnahtfaktoren

- Einfluß Drucktemperatur und Druckgeschwindigkeit

- Optimierung durch Infill und Außenlagen, welcher Infill bietet welche Vorteile (Wabenstruktur, usw.)

- Konkrete Beispiele Funktionsbauteile konstruktiv und technologisch optimiert