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Maßgenauigkeit von gedruckten 3D-Teilen

Geschrieben von Ben Redwood

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Dimensional accuracy of 3D printed parts

Einführung

Das Ziel dieses Artikels ist es, Ingenieuren und Designern eine Methode zum Vergleich der erwarteten Maßgenauigkeit zu bieten, die mit 3D-Druck Technologien erreicht werden kann. Während alle Technologien Stärken und Schwächen haben, sind die 2 wichtigsten Faktoren, die darüber entscheiden, ob ein Teil gemäß den Spezifikationen gedruckt wird:

Design - Die Genauigkeit eines gedruckten Teils hängt stark vom Design ab. Schwankungen bei der Abkühlung und Aushärtung führen zu inneren Spannungen, die zu Verwölbung oder Schrumpfung führen können. Der 3D-Druck eignet sich nicht für flache Oberflächen oder lange dünne, nicht unterstützte Merkmale. Die Genauigkeit wird ebenfalls abnehmen, wenn die Teile größer werden. Spezifische Gestaltungsempfehlungen für jede der in diesem Artikel besprochenen Technologien finden Sie in Kapitel 5 der Knowledge Base.

Materialien - Wie das Design hängt auch die Genauigkeit vom Material ab. Oftmals wird die Genauigkeit eines Teils für die Verbesserung einer bestimmten Materialeigenschaft geopfert. Ein Standard-SLA-Harz wird zum Beispiel maßgenauere Teile produzieren als flexibles Harz. Für Teile, bei denen eine hohe Genauigkeit entscheidend ist, werden Standard-Druckmaterialien empfohlen.

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Um die Genauigkeit eines 3D-Druckteils zu quantifizieren, werden die folgenden Parameter verwendet.

Informationen über die Mindestgröße der Features und Details, die mit jeder 3D-Drucktechnologie erreicht werden können, finden Sie hier. Die Höhe der Aufprallschicht auf einem 3D-Druckteil wird in diesem Artikel diskutiert.

FDM

Das Fused Deposition Modeling (FDM) eignet sich am besten für kostengünstige Prototypen, bei denen Form und Passform wichtiger sind als die Funktion.FDM stellt Teile schichtweise her, indem ein Thermoplast auf eine Druckbettplattform extrudiert wird.

Bei großen Teilen kann dies zu großen Temperaturschwankungen über die Druckbettplattform hinweg führen. Wenn verschiedene Bereiche des Teils mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abkühlen, führen interne Spannungen zu einer Verformung des Drucks, was zu einer Verwölbung oder Schrumpfung führt. Lösungen wie das Drucken von Flößen, beheizten Betten und Radien an scharfen Kanten und Ecken können dazu beitragen, dies zu reduzieren.

Unterschiedliche Materialien sind anfälliger für Verformungen als andere. Beispielsweise ist ABS bekanntermaßen anfälliger für Verformungen als PLA.

Maßtoleranz ± 0,5% (unterer Grenzwert: ± 0,5 mm) - Tischgerät ± 0,15% (unterer Grenzwert: ± 0,2 mm) - Industriegerät
Schrumpfung/Verziehen Thermoplaste, die eine höhere Drucktemperatur erfordern, sind stärker gefährdet. Es wird empfohlen, einen Radius an der Unterkante in Kontakt mit der Druckbettplattform oder eine Krempe hinzuzufügen. Die Schrumpfung liegt normalerweise im Bereich von 0,2 - 1%, je nach Material.
Abstützungsanforderungen Unentbehrlich, um ein genaues Teil zu erreichen. Erforderlich für Überhänge größer als 45o Grad.

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SLA

SLA (Stereolithographie)-Drucker verwenden einen Laser, um bestimmte Bereiche eines Harzbehälters mit UV-Licht zu härten, um einen festen Teil mit einem Querschnitt nach dem anderen zu bilden. Diese ausgehärteten Bereiche sind jedoch erst nach der Nachbearbeitung mit UV-Licht voll belastbar. Aus diesem Grund und wegen des Winkels und der Ausrichtungen, in denen SLA-Teile typischerweise gedruckt werden, kann es zu einem Durchhängen von nicht unterstützten Spannweiten kommen.

Da eine Schicht nach der anderen aufgebaut wird, wird dieser Effekt kumulativ, was zu den dimensionalen Diskrepanzen führt, die manchmal bei hohen SLA-Teilen auftreten. Maßabweichungen können auch aufgrund des von einigen SLA-Druckern verwendeten Schälverfahrens auftreten. Die Zugkraft während des Schälvorgangs kann dazu führen, dass sich der weiche Druck verbiegt, was sich wiederum beim Aufbau jeder Schicht akkumulieren kann.

Harze mit höheren Biegeeigenschaften (weniger steif) sind einem größeren Risiko der Verformung ausgesetzt und möglicherweise nicht für Anwendungen mit hoher Genauigkeit geeignet.

Maßtoleranz ± 0,5% (unterer Grenzwert: ± 0,10 mm) - Tischgerät ± 0,15% (unterer Grenzwert: ± 0,01 mm) - Industriegerät
Schrumpfung/Verziehen Wahrscheinlich für nicht unterstützte Spannweiten.
Abstützungsanforderungen Unentbehrlich, um ein genaues Teil zu erreichen.

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SLS

Selektives Lasersintern (SLS) produziert Teile mit hoher Genauigkeit und kann Designs mit komplexer Geometrie drucken. Ein Laser sintert selektiv Pulver schichtweise, um ein festes Teil zu bilden.

Um die Wahrscheinlichkeit zu begrenzen, dass sich die Teile während des Druckens verziehen oder schrumpfen, verwenden SLS-Drucker beheizte Aufbaukammern, die das Pulver bis knapp unter die Sintertemperatur aufheizen. Dies führt jedoch immer noch zu Temperaturgradienten in großen SLS-Teilen, bei denen die Unterseite des Teils abgekühlt ist, während die kürzlich gedruckten oberen Schichten auf einer erhöhten Temperatur bleiben. Um die Wahrscheinlichkeit des Verziehens weiter zu verringern, werden die Teile im Pulver langsam abgekühlt (oft für 50% der gesamten Bauzeit).

Maßtoleranz ± 0,3% (untere Grenze: ± 0,3 mm)
Schrumpfung/Verziehen Schrumpfung tritt normalerweise im Bereich von 2 - 3% auf, aber die meisten SLS-Druckanbieter lassen dies im Design zu.
Abstützungsanforderungen Nicht erforderlich.

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Material Jetting

Das Material Jetting gilt als die genaueste Form des 3D-Drucks. Da beim Druckvorgang keine Wärme involviert ist, kommt es selten zu Verformungen und Schrumpfungen.

Die meisten Probleme mit der Maßhaltigkeit betrafen Merkmale und dünne Wände, die unterhalb der Druckerspezifikationen gedruckt werden. Das Material Jetting druckt den Träger als feste Struktur aus einem weichen Sekundärmaterial, das nach dem Druck entfernt wird. Die solide Beschaffenheit des Trägers führt dazu, dass die mit dem Träger in Kontakt stehenden Flächen mit hoher Genauigkeit bedruckt werden. Bei der Handhabung von Teilen, die durch Material Jetting hergestellt werden, ist Vorsicht geboten, da sie sich durch die Einwirkung von Umgebungswärme, Feuchtigkeit oder Sonnenlicht verziehen und ihre Abmessungen verändern können.

Maßtoleranz ± 0,1% (untere Grenze: ± 0,05 mm)
Schrumpfung/Verziehen Kein Problem für das Material Jetting.
Abstützungsanforderungen Unentbehrlich, um ein genaues Teil zu erreichen.

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3D-Druck aus Metall

Beim Metalldruck (insbesondere DMLS und SLM) wird ein Laser verwendet, um Metallpulver selektiv zu sintern oder zu schmelzen, um Metallteile herzustellen. Ähnlich wie bei SLS werden beim Metalldruck die Teile schichtweise in einer kontrollierten, beheizten Umgebung auf Maschinen in Industriegröße hergestellt. Dieser schichtweise Aufbau in Verbindung mit den sehr hohen Temperaturen, die bei diesem Prozess auftreten, erzeugt extreme Temperaturgradienten, und der Nettoeffekt ist, dass Spannungen in das Bauteil eingebaut werden.

Infolgedessen besteht bei gedruckten Metallteilen ein hohes Risiko der Verformung oder des Verziehens, d.h. gute Designpraktiken und die Ausrichtung der Teile sind entscheidend für das Erreichen eines präzisen Teils. Im Gegensatz zu SLS sind Stützstrukturen unerlässlich, um die Verformung des Teils während der Produktion zu minimieren. Die Teile sind in der Regel auch auf einer massiven Metallplatte aufgebaut und müssen nach dem Druckvorgang entfernt werden. Es ist ein fundiertes Verständnis des Prozesses sowie solide und gitterartige Stützstrukturen erforderlich, um das Teil sicher am Druckbett zu halten und ein Lösen des Teils zu verhindern. Die meisten Teile werden auch nach dem Bau und vor dem Entfernen von der Druckbettplattform spannungsarmgeglüht (durch einen Wärmebehandlungsprozess), wodurch sich die kristalline Struktur entspannen kann und ein späteres Versagen verhindert wird.

Da die Kosten für 3D-Druckteile aus Metall hoch sind, werden Simulationen häufig verwendet, um die Genauigkeit eines Entwurfs zu überprüfen, bevor der Druckauftrag gestartet wird.

Maßtoleranz ± 0,1 mm
Schrumpfung/Verziehen Teile mit hohem Risiko der Schrumpfung oder Verformung. Verstrebungen und Abstützungen werden verwendet, um die Wahrscheinlichkeit dieses Falles zu verringern.
Abstützungsanforderungen Unentbehrlich, um ein genaues Teil zu erreichen.

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