Drucken mit Verbundwerkstoffen. Was zu beachten ist

Es wird immer häufiger, Filamente aus Verbundwerkstoffen zu finden. Diese Materialien bestehen aus einer Kunststoffmatrix und einem Füllstoff aus Partikeln oder Fasern. Der Zweck dieses Füllstoffs kann stark variieren, von der Verbesserung der endgültigen mechanischen Eigenschaften des Materials über die Verbesserung seines ästhetischen Erscheinungsbilds bis hin zur Hinzufügung einer neuen Eigenschaft wie Leitfähigkeit. So lassen sich drei Arten von Verbundwerkstoffen unterscheiden:

Faserverstärkte Materialien

Dabei handelt es sich um Materialien, deren Ziel es ist, die Gesamteigenschaften der Matrix zu verbessern. Die Kunststoffmatrix kann jedes 3D-Druckmaterial sein, während die am häufigsten verwendeten Verstärkungen Glasfaser, Kohlefaser und Aramidfaser sind.

• Glasfaser: Bietet eine höhere Beständigkeit gegen Zugspannungen. Es hat eine gute Flexibilität und verbessert die Biegefestigkeit. Es verleiht dem Endmaterial eine höhere Arbeitstemperatur.
• Kohlefaser: Wie Glasfaser erhöht sie die Zug- und Biegefestigkeit, bietet jedoch auch eine größere Steifigkeit.
• Aramidfaser: Hauptsächlich bekannt für ihre hohe Schlag- und Ermüdungsbeständigkeit.

Faserverstärkte Filamente gelten als technische Materialien und sind hauptsächlich für die Herstellung von Hochleistungs-Funktionskomponenten gedacht. Im Allgemeinen finden sich Materialien mit Belastungen zwischen 10% und 20%.

Bild 1: Mit Kohlefaser verstärktes Nylon gedrucktes Teil. Quelle: Fillamentum

Die häufigsten faserverstärkten Materialien basieren auf Nylon, obwohl es immer häufiger ist, andere Matrixtypen wie ABS, PLA, PC oder besonders PETG zu finden.

Materialien mit ästhetisch funktionellen Belastungen

Dies sind Materialien, die mit verschiedenen Arten von Partikeln und Fasern beladen sind und deren Hauptfunktion darin besteht, die ästhetische Oberfläche des Ausgangsmaterials zu verändern. Wir können hauptsächlich 4 Arten von Belastungen finden:

• Holzfasern oder -partikel: Dies sind Materialien mit einer hohen Belastung von pflanzlichen Partikeln oder Fasern, deren Funktion darin besteht, eine Oberfläche ähnlich wie Holz zu bieten.

• Mineralische oder keramische Partikel: Im Allgemeinen Gipspartikel mit verschiedenen Farbstoffen. Sie werden verwendet, um Oberflächen ähnlich wie Keramik, Stein oder Ton zu erzielen.

• Pflanzenfasern: Hauptsächlich verwendet mit PLA. Ihre Funktion besteht darin, eine matte Oberfläche zu bieten.

• Phosphoreszierende Partikel: Das am häufigsten verwendete Material ist Strontiumaluminatpulver, das einen charakteristischen grünen Glanz bietet. Es wird in "Glow" oder Leuchtfilamenten verwendet.

Bild 2: Mit PLA und Holzfasern beladenes Spielzeugauto. Quelle: Fillamentum

Im Allgemeinen wird diese Art von Belastung mit einer PLA-Matrix kombiniert, um die Kompatibilität mit allen Arten von Druckern zu maximieren, da kein gutes mechanisches Verhalten angestrebt wird, sondern vielmehr eine spezifische ästhetische Oberfläche.

Materialien mit Belastungen, die neue Eigenschaften bieten

Manchmal besteht die Funktion der Belastungen nicht darin, die Eigenschaften der Matrix selbst zu verbessern, sondern eine neue physikalische Eigenschaft zu bieten. Die häufigsten sind Leitfähigkeit durch den Einsatz von Graphen und Magnetismus durch Ferritpartikel, obwohl es möglich ist, weitere exotische wie elektromagnetische Abschirmung durch Bornitridkarbid zu finden.

Video 1: Mit ferromagnetischem Filament hergestelltes Teil. Quelle: Protopasta

Dies sind weniger verbreitete Materialien, die für spezifische Anwendungen entwickelt wurden.

Materialien mit metallischen und keramischen Belastungen für das Sintern.

Es handelt sich um Filamente mit einer hohen Belastung an metallischem oder keramischem Pulver, die zum Drucken von Teilen bestimmt sind, die anschließend durch Entbindungs- und Sinterbehandlungen verarbeitet werden. Im Allgemeinen besteht die Matrix aus niedrigtemperaturbasierten Materialien auf PLA- oder Wachsbasis, um die Entbindungsarbeiten zu erleichtern, die thermisch, chemisch oder eine Kombination aus beiden sein können.

Wie man beladene Filamente druckt

Auswahl des Düsendurchmessers

Einige beladene Filamente erfordern die Verwendung von Düsen mit Durchmessern größer als 0,4. Im Allgemeinen enthalten Hersteller von beladenen Filamenten in den technischen Datenblättern die empfohlene minimale Düsengröße; wenn jedoch nicht angegeben ist, sollten die folgenden Hinweise beachtet werden:

• Glasfaser: Es wird empfohlen, immer Düsen von mindestens 0,6 mm zu verwenden, da sie in der Regel große Fasern enthält.

• Kohlefaser: Wenn angegeben ist, dass das Filament kurze Fasern verwendet, ist es wahrscheinlich, dass eine 0,4 mm Düse ohne Verstopfungsrisiko verwendet werden kann. Falls nicht angegeben ist, dass es kurze Fasern enthält, wird empfohlen, mit einer 0,6 mm Düse zu beginnen und zu versuchen, eine 0,4 mm Düse zu verwenden, wenn der Druck mit der größeren Düse zufriedenstellend ist.

• Aramidfaser: Es wird empfohlen, mit einer 0,6 mm Düse zu beginnen und zu versuchen, eine 0,4 mm Düse zu verwenden, wenn der Druck mit der größeren Düse zufriedenstellend ist.

• Holzfasern oder -partikel: Es wird empfohlen, immer Düsen von mindestens 0,6 mm zu verwenden, und in einigen Fällen sogar 0,8 mm.

• Mineralische oder keramische Partikel: Mit Ausnahme von Fällen, in denen die Belastung sehr hoch ist, ist es im Allgemeinen möglich, diese Art von Filamenten mit 0,4 mm Düsen zu drucken.

• Pflanzenfasern: Es wird empfohlen, mit einer 0,6 mm Düse zu beginnen und zu versuchen, eine 0,4 mm Düse zu verwenden, wenn der Druck mit der größeren Düse zufriedenstellend ist.

• Phosphoreszierende Partikel: Im Allgemeinen können sie mit 0,4 mm Düsen gedruckt werden.

• Partikel mit metallischen oder keramischen Belastungen: Es gibt normalerweise eine ziemliche Variabilität von einem Material zum anderen und sogar innerhalb desselben Materials von verschiedenen Lieferanten. Wenn der Hersteller keine Mindestgröße angibt, wird empfohlen, immer mit einer 0,6 mm Düse zu beginnen und zu versuchen, eine 0,4 mm Düse zu verwenden, wenn der Druck mit der größeren Düse zufriedenstellend ist. In einigen spezifischen Materialien können 0,8 mm Düsen erforderlich sein.

Bild 3: Düsen unterschiedlicher Durchmesser. Quelle: E3D

Verwendung von gehärteten Düsen und Bauteilverschleiß.

Es sollte beachtet werden, dass alle beladenen Filamente zu einem stärkeren Verschleiß der Komponenten des Hotends und des Extruders führen, insbesondere der Düse, des Heat Breaks, der Extruderräder und der PTFE-Rohre oder -Einsätze.

Einige Filamente sind besonders abrasiv, wie Kohlefaser-, Aramid- und Glasfaserfilamente oder metallische, keramische und phosphoreszierende Partikel. Bei der Verwendung dieser Filamente ist es ratsam, gehärtete Düsen zu verwenden.

Bild 4: Vergleich des Düsenverschleißes für verschiedene Materialien. Quelle: 3DVerkstan

Wenn diese abrasiven Filamente regelmäßig verwendet werden, ist es ratsam, neben gehärteten Düsen auch Heat Breaks aus widerstandsfähigeren Materialien wie Titan und Extruder mit gehärteten Stahlrädern zu verwenden. Außerdem sollten diese Komponenten regelmäßig überprüft werden, zusammen mit PTFE-Rohren und -Einsätzen, und bei Anzeichen von Verschleiß ausgetauscht werden.

Druckgeschwindigkeit und Temperatur

Beladene Filamente haben eine höhere Viskosität als ihre nicht beladenen Gegenstücke, daher ist es ratsam, niedrigere maximale Druckgeschwindigkeiten zu verwenden. Es kann auch erforderlich sein, etwas höhere Drucktemperaturen zu verwenden, um die Viskosität zu verringern , wenn hohe Druckgeschwindigkeiten verwendet werden.

Basisadhäsion und Verzug

Beladene Filamente unterliegen im Allgemeinen weniger Schrumpfung während des Abkühlens, wodurch sie weniger anfällig für Verzug werden. Je höher der Anteil an Fasern oder Partikeln, desto geringer die Schrumpfung.

Andererseits beeinflussen Belastungen in der Regel auch die Haftung des Materials auf dem Druckbett, wodurch sie leicht reduziert wird. Es ist ratsam, Haftlösungen wie Klebstoffe oder Lacke zu verwenden, wenn diese Art von Filament verwendet wird, insbesondere solche mit einem hohen Belastungsanteil.

Filamentbrüchigkeit

Eine allgemeine Eigenschaft von mit Partikeln beladenen Filamenten ist ihre größere Brüchigkeit, insbesondere solche mit hohen Beladungsprozenten oder auf PLA-Basis. Deshalb ist es sehr wichtig, die Spule richtig zu positionieren, damit der Weg zum Extruder so gerade und kurz wie möglich ist. Zusätzlich wird die Verwendung von Direktextrudern empfohlen, obwohl einige dieser Filamente auch auf Bowden-Druckern gedruckt werden können. In letzterem Fall wird empfohlen, die PTFE-Rohre so zu positionieren, dass sie den größtmöglichen Krümmungsradius haben, sowie die Teile an den vorderen Rand des Druckbetts zu positionieren.

Bild 5: Direkt auf dem Extruder platzierte Spulenhalterung, um das Filament gerade zu führen. Quelle: Raise3D

Beladene Filamente sind eine spezielle Kategorie, die sehr verschiedene Materialien umfasst und im Allgemeinen spezielle Druckkonfigurationen erfordert. Daher wird empfohlen, immer alle Informationen des Herstellers zu konsultieren und deren Druckempfehlungen zu befolgen.

In diesem Leitfaden werden Konzepte allgemein diskutiert und konzentrieren sich nicht auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell, obwohl diese möglicherweise an einigen Stellen erwähnt werden. Es können wichtige Unterschiede in Kalibrierungs- oder Anpassungsverfahren zwischen verschiedenen Marken und Modellen bestehen, daher wird empfohlen, das Handbuch des Herstellers zu konsultieren, bevor Sie diesen Leitfaden lesen.