Wie stabil können 3D-Teile sein?

Beim 3D-Druck handelt es sich um ein additives Fertigungsverfahren, bei dem dreidimensionale feste Objekte anhand einer digitalen 3D-Zeichnung erstellt werden, wobei aufeinanderfolgende Materialschichten aufgetragen werden, um die Produktform zu bilden. Diese Technologie wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, in denen die Festigkeit der Produkte von entscheidender Bedeutung ist, z. B. in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und bei Konsumgütern. Die Verbundfestigkeit der aufeinanderfolgenden Schichten ist entscheidend für die Gesamtfestigkeit der Produkte, ebenso wie das Material, die Ausrichtung des Druckers und die innere Struktur.

Dieser Artikel befasst sich mit der Festigkeit von 3D-gedruckten Teilen und damit, was die Produktfestigkeit verbessert. Der Artikel gibt einen Überblick über die neuesten Materialien und andere Faktoren, die zur Gesamtfestigkeit von 3D-gedruckten Produkten beitragen. Es gibt mehrere Faktoren zur Bewertung der Produktfestigkeit, die ebenfalls berücksichtigt werden.

Die Festigkeit von 3D-gedruckten Teilen hängt von mehreren Faktoren ab, darunter das verwendete Material, das strukturelle Design, die Ausrichtung des Teils und das Druckverfahren. Die Festigkeit kann je nach 3D-Material und Druckverfahren erheblich variieren. ABS-Kunststoff ist zum Beispiel ein Standardmaterial für den 3D-Druck, das stark und stoßfest ist, aber nicht so stark wie Metalle wie Aluminium oder Stahl.

Während Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polymilchsäure (PLA) zu den am häufigsten verwendeten Thermoplasten im 3D-Druck gehören, werden für die stärksten Teile Thermoplaste in Industriequalität

wie Polycarbonat, ABS oder Nylon verwendet. Diese Materialien sind im Allgemeinen stärker als PLA und andere Kunststofffilamente, die in 3D-Druckern für Verbraucher verwendet werden. Thermoplaste in Industriequalität sind extrem hitzebeständig und ermöglichen die Herstellung von Teilen mit hoher Detailgenauigkeit und Haltbarkeit.

Weitere Faktoren sind die Einstellungen des 3D-Druckers und die Nachbearbeitungsmethoden. Dazu können gehören:

• Füllungsgrad - Dies ist der prozentuale Anteil an Vollmaterial in einem gedruckten Teil. Ein gedrucktes Teil mit 0% Füllung wäre komplett hohl, während ein Teil mit 100% Füllung komplett massiv wäre.
• Schichthöhe - Die Schichthöhe ist die Dicke der einzelnen gedruckten Schichten. Diese Dicke wirkt sich direkt auf die Festigkeit des Produkts aus, da dünnere Schichten ein robusteres Produkt ergeben, während dickere Schichten eher ein schwächeres Produkt ergeben.
• Ausrichtung der Teile - Überraschenderweise ist die Ausrichtung der Teile ein wichtigerer Faktor, als man annehmen würde. Die Verbindung zwischen den Schichten ist für die Gesamtfestigkeit des Produkts von entscheidender Bedeutung. Daher müssen die einzigartigen Produktbelastungen und Leistungsanforderungen berücksichtigt werden, um die Ausrichtung und Produktfestigkeit zu optimieren.
• Nachbearbeitung - Techniken wie Schleifen, Lackieren und Beschichten verbessern in der Regel die Festigkeit des 3D-gedruckten Objekts. Diese Verfahren gleichen Unregelmäßigkeiten in der Produktoberfläche aus.
• Druckgeschwindigkeit - Langsamere Druckgeschwindigkeiten erzeugen stärkere Produkte und ermöglichen eine optimale Erwärmung und Aushärtung.
• Schalendicke - Das typische 3D-gedruckte Teil hat eine Schalendicke von nur 1,0 bis 1,5 mm. Eine Erhöhung der Dicke kann die Zug- und Schlagfestigkeit eines Teils erheblich verbessern.

Die Materialzusammensetzung ist entscheidend für die Festigkeit des Produkts. Die am häufigsten verwendeten Materialien für den 3D-Druck sind Kunststoff, Metall und Keramik. Im Allgemeinen sind die für den 3D-Druck verwendeten Kunststoffe nicht so stabil wie Metalle und Keramiken, aber sie sind für eine Vielzahl von Anwendungen stabil genug.

Insgesamt gilt Polycarbonat im Allgemeinen als das stärkste 3D-gedruckte Filament, aber es gibt mehrere Methoden, mit denen die Produktstärke ermittelt wird. Die zahlreichen Festigkeitsmessungen sollten bei der Optimierung der Teileproduktion berücksichtigt werden.

Dazu gehören:

• Zugfestigkeit - Dieser Begriff bezieht sich auf die Steifigkeit des Materials und die maximale Spannung, die erforderlich ist, bevor das Teil bricht oder sich verformt.

Die stärksten Materialien für die Zugfestigkeit sind:

• • Polycarbonat
  • PVA (Polyvinylalkohol)
  • PETT (Polyethylenterephthalat-Glykol)
  • PEEK (Polyetheretherketon)
  • Kohlefaser
• Dehnung (Duktilität) - Die Dehnung ist das Ausmaß, in dem ein Material plastisch verformt werden kann. Dieser Begriff wird auch als Duktilität bezeichnet und mit ähnlichen Geräten gemessen, die zur Bewertung der Zugfestigkeit verwendet werden. Eine hohe Duktilität bezieht sich auf ein Material, das in eine dünne Drahtform gestreckt oder gedehnt werden kann, ohne zu brechen. Eine niedrige Duktilität zeigt an, dass das Material bricht, wenn es unter einer schweren Last verformt wird.

Die Materialien mit den höchsten Dehnungswerten sind:

• • Flexibles TPE (Thermoplastisches Elastomer)
  • Flexibles TPU (Thermoplastisches Polyurethan)
• Härte - Die Härte wird im Allgemeinen in neun Kategorien eingeteilt, die von A bis K auf der Rockwell-Skala reichen, einer gängigen Methode zur Messung der Härte von Werkstoffen, die bei der Bearbeitung verwendet werden.

Zu den Materialien mit den höchsten Härtegraden gehören:

• • Kohlefaser
  • Nylon
  • ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
• Schlagzähigkeit - Die Schlagzähigkeit misst die Beständigkeit gegen Verformung oder Bruch, wenn sie einer plötzlichen Kraft oder einem Schlag ausgesetzt ist.

Zu den Materialien mit der besten Schlagfestigkeit gehören:

• • Polycarbonat
  • Nylon
  • PETG (Polyethylenterephthalat-Glykol)
  • ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
  • TPU (Thermoplastisches Polyurethan)
• Chemische Beständigkeit - Die chemische Beständigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, sich bei Einwirkung bestimmter Chemikalien oder chemischer Umgebungen nicht zu zersetzen oder zu beschädigen. Diese Messung variiert je nach Chemikalie, spezifischer Umgebung, Umgebungstemperatur und verschiedenen Belastungsarten.  

Zu den Materialien mit der besten chemischen Beständigkeit gehören:

• • PP (Polypropylen)
  • PA (Polyamid, Nylon)
  • PE (Polyethylen)
  • PEEK (Polyetheretherketon)
  • PTFE (Polytetrafluorethylen, Teflon)
  • PVC (Polyvinylchlorid)
  • PVDF (Polyvinylidenfluorid).
  • ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
• Vergleich der Flexibilität - Die Flexibilität wird durch die Fähigkeit eines Materials definiert, seine ursprüngliche Form zu verändern, ohne seine strukturelle Integrität zu verlieren, und wieder in seine ursprüngliche Form zurückzukehren.

Die flexibelsten Materialien sind:

• • Flexibles TPE (Thermoplastisches Elastomer)
  • Flexibles TPU (Thermoplastisches Polyurethan)
  • Nylon
  • Polycarbonat
• Hitzebeständigkeit - Die Hitzebeständigkeit eines Materials misst seine Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten, ohne beschädigt oder abgebaut zu werden. Sie ist eine entscheidende Eigenschaft für Materialien, die in Hochtemperaturanwendungen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Energieerzeugung eingesetzt werden. Die Wärmebeständigkeit wird in der Regel anhand des Schmelzpunkts, der Wärmeleitfähigkeit und des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials gemessen.
  • PAHT CF15 (kohlenstofffaserverstärktes Hochtemperatur-Polyamid)
  • PET-G (Polyethylenterephthalat, glykolmodifiziert)
  • ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
  • PP (Polypropylen)
  • PP GF30 (Polypropylen 30% Glasfaser)
  • PA (Polyamid)

Die Verwendung des 3D-Drucks zur Herstellung starker Objekte ist logisch, denn es handelt sich um ein kostengünstiges und effizientes Herstellungsverfahren, das nachweislich die Festigkeit herkömmlich hergestellter Produkte erreicht oder übertrifft. Mit dem 3D-Druck lassen sich komplexe Geometrien mit hoher Genauigkeit und Detailgenauigkeit herstellen, so dass komplizierte Details möglich sind, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht zu erreichen wären. Außerdem lassen sich mit dem 3D-Druck Teile mit gleichbleibender Qualität und Festigkeit herstellen.