Die Bedeutung der Isotropie beim 3D-Druck

Isotropie in Materialien ist eine Qualität, die die Gleichmäßigkeit ihrer Eigenschaften unabhängig von der Richtung, in der sie gemessen werden, definiert.

Im Allgemeinen gelten die meisten Thermoplaste als isotrope Materialien. Aufgrund ihrer Natur und der Kohäsion zwischen den Polymerketten, die sie zusammensetzen, ist ihre mechanische Eigenschaften ebenfalls gleichmäßig.

Die Tatsache, dass ein Material isotrop ist, bedeutet nicht, dass alle Teile, die aus diesem Material hergestellt sind, diese Qualität beibehalten. In vielen Fällen kann die Methode zur Formung oder Herstellung dazu führen, dass ein Teil anisotrop oder orthotrop wird, obwohl sein Rohmaterial isotrop ist.

Zum Beispiel ein Stück aus einem faserarmierten Thermoplast. In der Kunststoffmatrix sind die Fasern zufällig und gleichmäßig orientiert, wodurch die Isotropie des Materials erhalten bleibt. Wenn jedoch ein Teil dieses Materials mit mechanischen Stretchmethoden hergestellt wird, können sich die Fasern innerhalb der Matrix in eine bevorzugte Richtung neu orientieren und das Material anisotrop machen. Manchmal entstehen beim Spritzgießen von Thermoplasten oder beim Aushärten von Harzen interne Spannungen, die dazu führen können, dass das Material seinen Grad an Isotropie verringert.

Manchmal ist diese Anisotropie eine Ingenieur-Entscheidung, die berücksichtigt, welche Lasten das Teil tragen wird, und darauf abzielt, seine Leistung zu verbessern oder das Gewicht-Widerstands-Verhältnis zu optimieren. Dies ist beispielsweise bei faserarmierten Verbundwerkstoffen der Fall, bei denen oft orientierte Fasernetze verwendet werden, um die Eigenschaften in eine bestimmte Richtung zu verbessern.

Bild 1: Isotropes und anisotropes Material. Quelle: Instron.

Aber was passiert, wenn diese Anisotropie eine unbeabsichtigte Folge ist, die durch die Formungs- oder Herstellungsmethode entsteht? In diesem Fall, wenn die Lasten, die auf das Teil wirken, nicht gleichmäßig sind und wir gut wissen, wie sich die Isotropie des Teils nach seiner Herstellung ändert, können wir seine Orientierung während des Formungsprozesses anpassen, damit die bevorzugte Richtung mit der Lastrichtung übereinstimmt. Dies erschwert das Design und die Herstellung erheblich, kann aber ein überwindbares Hindernis sein.

Wenn wir jedoch a priori nicht wissen, in welche Richtung die Lasten auf ein Teil wirken werden, kann die Tatsache, dass seine Eigenschaften nicht in alle Richtungen gleichmäßig sind, ein großes Problem darstellen. Zunächst sollten die Eigenschaften in alle Richtungen getestet und die niedrigsten Werte wie die Festigkeit des Teils berücksichtigt werden. Zweitens ist es viel komplizierter festzustellen, wann dieses Teil versagt, da die Nutzungsdauer, wenn die Lasten in seiner günstigsten Richtung wirken, deutlich länger sein kann als wenn sie in der ungünstigsten Richtung wirken.

Deshalb ist die Kontrolle der Isotropie bei Teilen, die eine mechanische oder strukturelle Funktion erfüllen müssen, von großer Bedeutung.

Isotropie im 3D-Druck

Eine der Herstellungsmethoden, bei der die Isotropie deutlich beeinträchtigt wird, ist der 3D FDM-Druck. Diese Herstellungsmethode basiert darauf, das Teil Schicht für Schicht zu formen, indem ein geschmolzener Polymerfaden extrudiert wird.

Gerade aus diesem Grund sind die Teile, die mit FDM gedruckt werden, auf mikrostruktureller Ebene mikroporöse Strukturen. Dies bedeutet, dass der tatsächliche Querschnitt des Teils in jeder Richtung im Vergleich zum scheinbaren Querschnitt, den wir auf makroskopischer Ebene messen können, variiert. Darüber hinaus spielt ein weiterer Faktor eine Rolle: die Kohäsion zwischen den Schichten, die nicht immer auf ideale und reproduzierbare Weise erfolgt.

Bild 2: Mikrostruktur eines 3D FDM-Drucks. Quelle: Formlabs.

Aufgrund dieses Missverhältnisses zwischen tatsächlichen Teilquerschnitten und scheinbaren Querschnitten variiert auch das scheinbare Modul bei der Prüfung des Teils auf allen drei Achsen.

Wenn wir beispielsweise einen Würfel von 1 cm³ testen, sehen wir, dass der Elastizitätsmodul in den drei Achsen unterschiedlich ist. Dies liegt daran, dass beim Berechnen von E = (F/S) / (∆L/L), wobei S der Querschnitt des Teils ist, für die drei Achsen als Querschnitt 1 cm² genommen wird, während der tatsächliche Querschnitt von einer Achse zur anderen variiert, wie in Bild 3 zu sehen ist.

Bild 3: Querschnitte eines gedruckten Teils mit 100% Füllung und alle Schichten in dieselbe Richtung gerichtet.

Wir könnten diesen Effekt minimieren, indem wir die Druckrichtung auf jeder Schicht variieren. Durch Orientierung der Schichten um 90º wie in Abbildung 4 gezeigt, könnten wir orthotrope Teile in den X- und Y-Achsen erhalten, obwohl die Anisotropie in der Z-Achse bleiben würde.

Bild 4: Querschnitte eines gedruckten Teils mit 100% Füllung und jede Schicht um 90º zur vorherigen orientiert.

In der Theorie könnten wir jede Schicht um einen kleinen Winkel variieren, bei großen Teilen, die aus einer großen Anzahl von übereinanderliegenden Schichten bestehen, planare Isotropie in der XY-Ebene erreichen, aber dennoch würden wir keine vollständige Isotropie erreichen.

Wir könnten versuchen, die tatsächlichen Querschnitte der Teile zu erhalten und somit ihre theoretischen Eigenschaften in jede Richtung vorherzusagen, jedoch sind in der Praxis FDM-Drucker nicht ausreichend präzise, um homogene und reproduzierbare Strukturen zu erhalten, wie in Bild 5 zu sehen ist.

Bild 5: Querschnitte gedruckter Teile mit 0,1, 0,2 und 0,3 mm Schichten. Quelle: S. Garzon-Hernandez et al. Materials and Design 188 (2020) 108414

Aus all dem ist es sehr schwierig, das mechanische Verhalten eines in FDM gedruckten Teils vorherzusagen.

Allerdings ist dieses Phänomen im 3D-Druck nicht universell. Andere Technologien wie 3D SLA-Druck und 3D SLS-Druck produzieren Teile mit hoher Isotropie.

Beim SLA-Druck werden die Teile durch Lichtaushärten einer Harzschicht Schicht für Schicht geformt. Dies bedeutet, dass die Teile vollständig dicht sind und daher ihr scheinbarer und realer Querschnitt identisch sind. Darüber hinaus erfolgt die Kohäsion zwischen Molekülen durch chemische Bindungen und gleichmäßig im gesamten Teil.

Bild 6: Youngs Modul eines Teils, das durch SLA gedruckt wurde, gemessen in verschiedenen Winkeln. Quelle: Formlabs

Trotz der Tatsache, dass SLA-Harze traditionell nicht für technische Anwendungen in Betracht gezogen wurden, aufgrund ihrer schlechten mechanischen Eigenschaften, gab es in den letzten Jahren einen bedeutenden Fortschritt bei der Entwicklung von Harzen mit mechanischen und thermischen Eigenschaften, die mit den anspruchsvollsten Anforderungen kompatibel sind. Dies ist bei Formlabs' technischen Harzen der Fall, die zusammen mit dem Form 3L-Drucker, der Teile bis zu 335x200x300 mm produzieren kann, das perfekte Duo für viele Anwendungen bilden, die isotrope Teile mit hohen mechanischen Eigenschaften erfordern.

Bild 7: Form 3L SLA-Drucker. Quelle: Formlabs

Allerdings, trotz des Fortschritts bei der Entwicklung von technischen Materialien für SLAs, ist die Technologie, die für technische Anwendungen die besten Ergebnisse garantiert, der 3D SLS-Druck.

Diese Technologie basiert auf dem Sintern von Polymergebundenen mikropartikeln Schicht für Schicht. Das Ergebnis sind Teile mit idealen Eigenschaften für Ingenieur-Anwendungen: sie haben eine hohe Isotropie, hohe dimensionale Präzision und können ohne Stützstrukturen gedruckt werden, was hochkomplexe Geometrien und sogar den Druck bereits montierter beweglicher Mechanismen ermöglicht.

Die Teile, die durch SLS-Druck hergestellt werden, sind porös, aber im Gegensatz zu denen, die durch FDM hergestellt werden, ist ihre Porosität homogen und hängt nicht von der Ausrichtung des Teils während des Drucks ab, wie in Bild 8 zu sehen ist.

Bild 8: Innere Mikrostruktur eines Teils, das mit SLS gedruckt wurde.

Dies führt dazu, dass sie eine hohe Isotropie haben, da, obwohl ihre tatsächlichen Querschnitte und ihre scheinbaren Querschnitte nicht gleich sind, sie in alle Richtungen konstant bleiben.

Deshalb, obwohl sich die mechanischen Eigenschaften der Teile, die durch SLS gedruckt werden, von denen des Ausgangsmaterials unterscheiden, sind sie konstant, unabhängig von der Ausrichtung des Teils, und können leicht bestimmt werden, was Ingenieur-Berechnungen vereinfacht und es ermöglicht, mit geringen Fehlerraten die Widerstandsfähigkeit und die Nutzungsdauer der mit dieser Technologie hergestellten Komponenten zu bestimmen.

Zusätzlich ermöglicht der SLS-Druck die Verwendung weit verbreiteter technischer Polymere im Industriebereich, wie Nylon 11, Nylon 12 oder sogar thermoplastische Elastomere wie TPE und TPU.

Dies ist bei 3D-Druckern wie Lisa Pro der Fall, einem Drucker mit einem ausgezeichneten Preis-Leistungs-Verhältnis, der in Materialien wie Polyamid 11, dank seiner Fähigkeit, in einer Stickstoffatmosphäre zu drucken, sehr hochwertige Teile herstellen kann.

Video 1: Lisa Pro Video. Quelle: Sinterit

Beim 3D-Druck von Teilen, die bestimmte mechanische Anforderungen erfüllen müssen, sollte man nicht nur die Eigenschaften des Ausgangsmaterials berücksichtigen, sondern auch die Technologie, mit der es hergestellt wird. Obwohl FDM-Technologie wahrscheinlich die vielseitigste Technologie ist, wenn es darum geht, technische Materialien auszuwählen, kann die Tatsache, dass gedruckte Teile eine sehr geringe Isotropie aufweisen, in vielen Fällen ein großes Problem darstellen, das schwer zu überwinden ist. Die Ausrichtung der Teile während des Drucks, die Auswahl von Füllmustern, und ein gutes Verständnis dafür, wo und unter welchen Bedingungen das Teil arbeiten wird, sind entscheidende Faktoren für die Herstellung technischer Komponenten mit 3D FDM-Druck. Dies bedeutet, dass das Design und die Herstellung von Teilen mit dieser Technologie vielleicht am komplexesten sind und erhebliche Einschränkungen mit sich bringen.

Viele dieser Einschränkungen entfallen beim SLA- und SLS-Druck. Die Möglichkeit, Teile mit dichter oder homogener Porosität, mit hoher Isotropie und die Verfügbarkeit von technischen Materialien mit guten mechanischen Eigenschaften zu erhalten, machen sie zu einer vielversprechenden Alternative für Anwendungen, bei denen der 3D-FDM-Druck nicht geeignet ist.

Darüber hinaus ermöglicht die Möglichkeit, Teile ohne vormontierte Stützstrukturen und mobile Mechanismen zu drucken, macht SLS-Druck zur idealen Technologie, indem Teile nach dem Druck reduziert und vereinfacht werden.