Isotropie in Materialien ist eine Eigenschaft, die die Gleichmäßigkeit ihrer Eigenschaften unabhängig von der Richtung, in der sie gemessen werden, definiert.
Im Allgemeinen werden die meisten Thermoplaste als isotrope Materialien betrachtet. Aufgrund ihrer Beschaffenheit und der Tatsache, dass die Kohäsion zwischen den Polymerketten, aus denen sie aufgebaut sind, in allen Richtungen einheitlich ist, sind auch ihre mechanischen Eigenschaften einheitlich.
Die Tatsache, dass ein Material isotrop ist, bedeutet nicht, dass alle mit diesem Material hergestellten Teile diese Eigenschaft beibehalten. In vielen Fällen kann das Umform- oder Herstellungsverfahren dazu führen, dass ein Teil anisotrop oder orthotrop ist, obwohl sein Rohmaterial isotrop ist.
Zum Beispiel ein Teil aus einem faserverstärkten Thermoplast. In der Matrix des Kunststoffs sind die Fasern zufällig und gleichmäßig orientiert, wodurch die Isotropie des Materials erhalten bleibt. Wird jedoch ein Teil aus diesem Material mit mechanischen Reckverfahren hergestellt, können sich die Fasern innerhalb der Matrix in einer Vorzugsrichtung neu orientieren und das Material anisotrop werden lassen. Gelegentlich entstehen beim Spritzgießen von Thermoplasten oder beim Aushärten von Harzen Eigenspannungen, die dazu führen können, dass das Material seinen Isotropiegrad verringert.
Manchmal ist diese Anisotropie eine technische Entscheidung, die die Belastungen berücksichtigt, denen das Teil standhalten wird, und die darauf abzielt, seine Leistung zu verbessern oder das Verhältnis von Gewicht und Festigkeit zu optimieren. Dies ist z. B. bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen der Fall, bei denen Fasergeflechte oft ausgerichtet werden, um die Eigenschaften in einer bestimmten Richtung zu verbessern.
Bild 1: Isotropes und anisotropes Material. Quelle: Instron
Doch was passiert, wenn diese Anisotropie eine unbeabsichtigte Folge des Umform- oder Herstellungsverfahrens ist? In diesem Fall, wenn die Lasten, die auf das Teil wirken werden, nicht gleichmäßig sind und wir wissen, wie sich die Isotropie des Teils nach seiner Herstellung verändert, können wir seine Ausrichtung während des Umformprozesses so anpassen, dass die Vorzugsrichtung mit der Lastrichtung übereinstimmt. Dies erschwert die Konstruktions- und Fertigungsaufgaben erheblich, kann aber ein überwindbares Hindernis darstellen.
Wenn wir jedoch nicht a priori wissen, in welcher Richtung die Lasten auf ein Teil wirken werden, kann die Tatsache, dass seine Eigenschaften nicht in allen Richtungen gleich sind, ein großes Problem darstellen. Zunächst sollten die Eigenschaften in allen Richtungen geprüft werden, und die niedrigsten Werte sollten als Festigkeit des Teils betrachtet werden. Zweitens ist es viel schwieriger zu bestimmen, wann das Teil versagen wird, da die Lebensdauer, wenn Lasten in der günstigsten Richtung wirken, viel länger sein kann als wenn sie in der ungünstigsten Richtung wirken.
Aus diesem Grund ist bei Teilen, die eine mechanische oder strukturelle Funktion erfüllen müssen, die Kontrolle der Isotropie von großer Bedeutung.
Isotropie im 3D-Druck
Eines der Fertigungsverfahren, bei dem die Isotropie deutlich beeinträchtigt wird, ist der FDM-3D-Druck. Dieses Herstellungsverfahren basiert auf der schichtweisen Formung des Teils durch das Extrudieren eines geschmolzenen Polymerdrahtes.
Genau aus diesem Grund handelt es sich bei FDM-Druckteilen auf der Ebene ihrer Mikrostruktur um mikroporöse Strukturen. Das bedeutet, dass der reale Querschnitt des Teils in jeder Richtung in Bezug auf den scheinbaren Querschnitt, den wir auf makroskopischer Ebene messen können, variiert. Ein weiterer Faktor kommt hinzu: der Zusammenhalt zwischen den Schichten, der nicht immer ideal und reproduzierbar ist.
Bild 2: Mikrostruktur eines FDM-3D-Drucks. Quelle: Formlabs.
Aufgrund dieser Nichtübereinstimmung zwischen den realen Querschnitten des Teils und den scheinbaren Querschnitten variiert auch der scheinbare Modul, wenn das Teil in den drei Achsen geprüft wird.
Wenn wir zum Beispiel einen 1 cm3 großen Würfel testen, werden wir sehen, dass der Elastizitätsmodul in allen drei Achsen unterschiedlich ist. Das liegt daran, dass wir bei der Berechnung E=(F⁄S)/(∆L⁄L), wobei S der Querschnitt des Teils ist, als Querschnitt 1 cm2 für die drei Achsen annehmen, während der tatsächliche Querschnitt von einer Achse zur anderen variiert, wie in Abbildung 3 zu sehen ist.
Bild 3: Ausschnitte eines gedruckten Teils mit 100 % Füllung und allen Schichten, die in dieselbe Richtung ausgerichtet sind.
Wir konnten diesen Effekt minimieren, indem wir die Druckrichtung in jeder Schicht variierten. Durch die Orientierung der Schichten um 90º, wie in Abbildung 4 gezeigt, könnten wir orthotrope Teile in der X- und Y-Achse erhalten, obwohl die Anisotropie in der Z-Achse bestehen bleiben würde.
Bild 4: Ausschnitte eines gedruckten Teils mit 100 % Füllung und jeder Schicht, die im 90°-Winkel zur vorherigen ausgerichtet ist.
Theoretisch könnten wir bei großen Teilen, die aus einer großen Anzahl von überlappenden Schichten bestehen, eine planare Isotropie in der XY-Ebene erhalten, wenn wir einen kleinen Winkel pro Schicht variieren, aber selbst dann würden wir keine vollständige Isotropie erreichen.
Wir könnten versuchen, die realen Schnitte der Teile zu erhalten und so ihre theoretischen Eigenschaften in jeder Richtung vorherzusagen, aber in der Praxis sind FDM-Drucker nicht genau genug, um homogene Strukturen auf reproduzierbare Weise zu erhalten, wie im folgenden Bild gezeigt.
Bild 5: Schnitte von Teilen, die mit 0,1, 0,2 und 0,3 mm Schichten gedruckt wurden. Quelle: S. Garzon-Hernandez et al. Materialien und Design 188 (2020) 108414
Aus all diesen Gründen ist es sehr schwierig, das mechanische Verhalten eines FDM-Druckteils vorherzusagen.
Dieses Phänomen ist jedoch im 3D-Druck nicht universell. Andere Technologien wie der SLA-3D-Druck und der SLS-3D-Druck produzieren Teile mit hoher Isotropie.
Beim SLA-Druck werden die Teile durch schichtweises Photopolymerisieren eines Harzes geformt. Das bedeutet, dass die Teile vollständig dicht sind und daher ihr scheinbarer und tatsächlicher Querschnitt gleich sind. Darüber hinaus wird der Zusammenhalt zwischen den Molekülen durch chemische Bindungen gebildet und ist im gesamten Stück homogen.
Bild 6: Elastizitätsmodul eines SLA-Druckteils, gemessen unter verschiedenen Winkeln. Quelle: Formlabs
Obwohl traditionell SLA-Harze aufgrund ihrer schlechten mechanischen Eigenschaften für technische Anwendungen nicht in Frage kamen, gab es in den letzten Jahren einen wichtigen Sprung in der Entwicklung von Harzen mit mechanischen und thermischen Eigenschaften, die mit den anspruchsvollsten Anforderungen kompatibel sind. Dies ist der Fall bei den Formlabs-Engineering-Harzen, die zusammen mit dem Form 3L-Drucker, der Teile bis zu 335 x 200 x 300 mm produzieren kann, das perfekte Tandem für eine Vielzahl von Anwendungen bilden, die isotrope Teile mit hohen mechanischen Eigenschaften erfordern.
Bild 7: Formular 3L-Drucker. Quelle: Formlabs
Trotz der großen Fortschritte bei der Entwicklung von technischen Materialien für SLA ist die Technologie, die die besten Ergebnisse für technische Anwendungen garantiert, der SLS-3D-Druck.
Diese Technologie basiert darauf, dass polymere Mikropartikel Schicht für Schicht gesintert werden. Das Ergebnis sind Teile mit idealen Eigenschaften für technische Anwendungen: Sie haben eine hohe Isotropie, eine hohe Maßgenauigkeit und können ohne Stützen gedruckt werden, was hochkomplexe Geometrien und sogar das Drucken von bereits montierten mobilen Mechanismen ermöglicht.
Durch SLS-Druck hergestellte Teile sind porös, jedoch ist ihre Porosität im Gegensatz zu den durch FDM hergestellten Teilen homogen und hängt nicht von der Ausrichtung des Teils während des Drucks ab.
Bild 8: Inneres Gefüge eines SLS-gedruckten Teils.
Dadurch sind sie hochgradig isotrop, da ihre realen und scheinbaren Querschnitte zwar nicht gleich sind, aber in allen Richtungen konstant bleiben.
Aus diesem Grund unterscheiden sich die mechanischen Eigenschaften von SLS-gedruckten Teilen zwar von denen des Ausgangsmaterials, sind aber konstant, unabhängig von der Ausrichtung des Teils und können leicht bestimmt werden, was die Konstruktionsberechnungen vereinfacht und es ermöglicht, mit geringen Fehlermargen die Widerstandsfähigkeit und Lebensdauer der mit dieser Technologie hergestellten Komponenten zu bestimmen.
Darüber hinaus ermöglicht der SLS-Druck die Verwendung von technischen Polymeren, die in der Industrie weit verbreitet sind, wie z. B. Nylon 11, Nylon 12 oder auch thermoplastische Elastomere wie TPE und TPU.
Dies ist der Fall bei 3D-Druckern wie dem Lisa Pro, einem Drucker mit einem hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnis, der dank seiner Fähigkeit, unter Stickstoffatmosphäre zu drucken, sehr hochwertige Teile aus Materialien wie Polyamid 11 herstellen kann.
Video 1: Lisa Pro Video. Quelle: Sinterit
Wenn es um die Herstellung von 3D-gedruckten Teilen geht, die bestimmte mechanische Anforderungen erfüllen müssen, müssen nicht nur die Eigenschaften des Ausgangsmaterials berücksichtigt werden, sondern auch die Technologie, mit der es hergestellt werden soll. Obwohl die FDM-Technologie wahrscheinlich die vielseitigste ist, wenn es um die Wahl der technischen Materialien geht, kann die Tatsache, dass die gedruckten Teile eine sehr geringe Isotropie aufweisen, ein großes Problem darstellen, das in vielen Fällen schwer zu überwinden ist. Die Ausrichtung des Teils während des Drucks, die Auswahl von Füllmustern und das Wissen, wo und unter welchen Bedingungen das Teil funktionieren wird, sind kritische Faktoren bei der Herstellung von technischen Komponenten mit FDM-3D-Druck. Dies macht das Design und die Produktion von Teilen mit dieser Technologie vielleicht am komplexesten, hat aber auch erhebliche Einschränkungen.
Viele dieser Einschränkungen entfallen beim SLA- und SLS-Druck. Die Möglichkeit, dichte Teile oder Teile mit homogener Porosität zu erhalten, mit hoher Isotropie und die Verfügbarkeit von technischen Materialien mit guten mechanischen Eigenschaften, machen sie zu einer vielversprechenden Alternative für jene Anwendungen, für die der FDM-3D-Druck nicht geeignet ist.
Darüber hinaus macht die Möglichkeit, Teile ohne vormontierte Halterungen und bewegliche Mechanismen zu drucken, den SLS-Druck zur idealen Technologie, um die Nachbearbeitung der Teile zu reduzieren und zu vereinfachen.
