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17.05.2016

Hohe Festigkeit und geringe Rautiefe

Einfluss der Prozessparameter beim 3D-Drucken

Beim „Fused Filament Fabrication“-Verfahren (FFF) hängt die Festigkeit der Bauteile davon ab, wie gut die Einzelstränge miteinander verschmelzen. In einem Forschungsprojekt wurde nun systematisch untersucht, welchen Einfluss die Düsentemperatur, der Volumenstrom und die Schichtdicke dabei haben.

Schichtaufbau der Probestäbe: Zunächst wird in jeder Schicht die Außenkontur gedruckt, anschließend erfolgt die Füllung in Bahnen mit einem Winkel von 45° (© HsKA)

Kostengünstige Desktop-3D-Drucker arbeiten in den meisten Fällen nach dem „Fused Filament Fabrication“-Verfahren (FFF), bei dem ein Kunststoffstrang (Filament) durch eine erhitzte Düse extrudiert wird. Der Druckkopf baut auf diese Weise das Kunststoffteil schichtweise auf. Eine Forschungsgruppe hat Probekörper aus PLA mit unterschiedlichen Prozessparametern hergestellt. Dabei kam der Open-Source-Drucker „Ultimaker 2“ zum Einsatz. In den Versuchen wurden die drei Parameter variiert, welche die Temperatur der extrudierten Masse maßgeblich bestimmen – dies sind die Düsentemperatur, der Volumenstrom und die Schichtdicke.

Die Untersuchungen zeigten, dass sich mit steigender Düsentemperatur die Zugfestigkeit erhöht. Außerdem verringert sich der relative Einfluss von Schichtdicke und Volumenstrom auf die Festigkeit. Die Auswirkungen einer Volumenstromänderung waren etwas geringer. Ein hoher Volumenstrom verringert die Festigkeit, gleichzeitig ist der Volumenstrom aber entscheidend für die Druckgeschwindigkeit. Bei erhöhtem Volumenstrom kann nur durch Temperaturerhöhung ein guter Festigkeitswert erzielt werden, der Einfluss der Schichtdicke nimmt ab.

Eine größere Schichtdicke verbessert – insbesondere bei niedrigem Volumenstrom – die Festigkeit. Sie beeinflusst zudem die Druckdauer, da bei großer Schichtdicke weniger Schichten gedruckt werden müssen. Die Rautiefe nimmt mit steigender Schichtdicke zu, die Oberflächenqualität wird also schlechter. Grundsätzlich besteht zwischen den Qualitätsmerkmalen Zugfestigkeit (große Schichtdicke) und Oberflächenqualität (geringe Schichtdicke) ein Zielkonflikt. Dieser lässt sich durch Erhöhung der Drucktemperatur entschärfen, weil diese die Zugfestigkeit sehr positiv, die Rautiefe jedoch kaum beeinflusst.

Die höchste Zugfestigkeit mit 62,9 MPa erreichte eine Probe, die bei maximaler Drucktemperatur, geringstem Volumenstrom und größter Schichtdicke gedruckt wurde. Die geringste Zugfestigkeit aller Proben lag bei 39,3 MPa. Die geringste mittlere Rautiefe betrug 20 μm, die größte 113 μm. (hs)

Literaturhinweis

"So fest wie möglich" , Fachartikel in der Zeitschrift Kunststoffe, Mai 2016

Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft (HsKA)
Moltkestraße 30
D-76133 Karlsruhe
Tel. +49 0 721 925-0
Fax +49 0 721 925-2000
www.hs-karlsruhe.de

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