Schrumpfung von Teilen im 3D-Druck und Warping

Hinweis: Dieser Leitfaden behandelt die Konzepte auf allgemeine Weise und ohne sich auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell zu konzentrieren, obwohl sie an einigen Stellen erwähnt werden können. Es können wichtige Unterschiede bei den Kalibrierungs- oder Einstellungsverfahren zwischen verschiedenen Marken und Modellen bestehen, daher wird empfohlen, das Handbuch des Herstellers zu konsultieren, bevor Sie diese Anleitung lesen.

Während des Druckvorgangs schrumpft der bei hohen Temperaturen extrudierte Kunststoff durch die Abkühlung. Bei einigen Materialien wie PLA ist diese Schrumpfung sehr gering (zwischen 0,3 % und 0,5 %), so dass sie in der Regel unproblematisch ist. Bei anderen Materialien wie Nylon 12 kann die Schrumpfung jedoch bis zu 2 % oder im Falle von PVDF sogar bis zu 4 % betragen, was zu erheblichen Verformungen der Teile führt.

Tabelle 1. Prozentuale Schrumpfung verschiedener Kunststoffe, die im FFF-3D-Druck verwendet werden. Quelle: SpezialChem.com

Diese Schrumpfung ist ein Prozentsatz der Teilegröße, so dass berücksichtigt werden muss, dass sehr große Teile, die in Materialien mit geringer Schrumpfung gedruckt werden, problematischer sein können als kleine Teile in Materialien mit hoher Schrumpfung. Aus diesem Grund kann ein Teil mit einer Grundfläche von 20 x 20 cm aus PLA ein höheres Ausfallrisiko haben als ein 5 x 5 cm großes Teil aus ABS..

Wenn das Teil sehr schnell und ungleichmäßig abkühlt, vor allem aufgrund eines großen Unterschieds zwischen der Umgebungstemperatur und der Drucktemperatur, schrumpft das Teil ungleichmäßig, was zu Verformungen an den Enden des Teils führt. Dieses Phänomen wird als Verziehen bezeichnet. Das Verziehen hat zwei grundlegende Folgen:
Wenn die Haftung zwischen den Schichten nicht gut ist, kommt es zur Trennung der Schichten. Wenn die Haftung auf dem Untergrund nicht gut ist, hebt sich das Teil ab.

Bild 1: Erläuterung des Phänomens der Verformung. Quelle: rigid.ink

In jeder der oben genannten Situationen führt die Verformung des Teils dazu, dass es sich anhebt oder ablöst, was zu einer Kollision mit dem Druckkopf führt und den Druck zum Scheitern bringt.

Kompensation des Schrumpfungseffekts von Teilen

Die Schrumpfung von Teilen während der Abkühlung ist unvermeidlich, doch lässt sich das Risiko eines Ausfalls auf verschiedene Weise vermeiden oder minimieren:

• Vermeiden Sie eine Schrumpfung des Teils während des Druckvorgangs.
  Dies ist die ideale Lösung, die höchste Qualität der Teile garantiert und Verformungen verhindert. Sie besteht darin, das Teil während des gesamten Druckvorgangs auf einer Temperatur zu halten, die gleich oder etwas höher ist als die Tg des Materials, was verhindert, dass das Teil während des Druckvorgangs zu schrumpfen beginnt. Nach der Fertigstellung kühlt es langsam ab, um eine gleichmäßige Schrumpfung des Teils ohne Verformung zu erreichen und gleichzeitig innere Spannungen zu vermeiden. Hierfür ist ein Drucker mit einer beheizten Kammer erforderlich, die für jedes Material geeignete Temperaturen erreicht.
• Um eine ausreichende Haftung an der Basis zu erreichen, damit sich das Teil beim Schrumpfen nicht ablöst.
  Wenn keine beheizte Kammer zur Verfügung steht, kann das Risiko eines Versagens durch eine stärkere Verbindung zwischen der ersten Schicht und dem Untergrund verringert werden. Wenn diese Verbindung den durch die Schrumpfung verursachten Spannungen standhält, löst sich das Teil nicht vom Untergrund und der Druck kann erfolgreich abgeschlossen werden.
  Je größer das Teil ist, desto größer sind die Spannungen und desto größer ist die erforderliche Haftung. Aus diesem Grund steigt das Risiko von Fehlern mit der Größe der Teile, und es wird oft gesagt, dass Materialien, die zum Verziehen neigen, nur die Herstellung kleiner Teile auf Druckern ohne beheizte Kammer erlauben.
• Erzielen Sie eine gute Verbindung zwischen den Schichten.
  Wenn die Bindungskräfte zwischen der ersten Schicht und der Unterlage größer sind als die zwischen den Schichten, kann es zu einem Problem der Schichtentrennung oder Delaminierung kommen.

Bild 2: Effekt der Schichtentrennung durch Schrumpfung beim Abkühlen. Quelle: Geeetech.com

In der Realität hängt die Größenbegrenzung bei der Herstellung eines beliebigen Teils mit FFF von der Haftfestigkeit zwischen der ersten Schicht und dem Trägermaterial sowie von den Kohäsionskräften zwischen den Schichten ab, die in der Lage sind, die Zug-, Scher-, Reiß- und Schälspannungen zu kompensieren, die beim Schrumpfen des Teils während des Abkühlens entstehen.

Das Ausmaß dieser Spannungen hängt von drei Faktoren ab: dem Volumen des Teils, dem Schrumpfungskoeffizienten des Materials und der Umgebungstemperatur beim Drucken.

Um das Risiko eines Versagens zu verringern, muss die Haftung des Bauteils auf dem Untergrund und zwischen den Schichten so weit wie möglich erhöht und die vom Bauteil erzeugten Spannungen reduziert werden.

Die folgenden Strategien können angewendet werden, um die Haftung des Teils auf dem Untergrund zu verbessern:

• Verbessern Sie die Klebeverbindung: Verwenden Sie materialspezifische Klebelösungen, um die Klebefestigkeit zu maximieren.

Bild 3: 3D-Druck spezifische Klebstoffe. Quelle: magigoo.com

• Erhöhen Sie die Extrusion der ersten Schicht: mehr Material, das mit höherem Druck aufgetragen wird, vergrößert die effektive Kontaktfläche und verbessert die Haftung.
• Halten Sie die Oberfläche sauber und frei von Mängeln: Das Vorhandensein von Staub oder anderen Verunreinigungen verringert die Haftung der Teile erheblich.
• Vergrößerung der Kontaktfläche mit dem Untergrund: Das Auftragen eines Brims auf das Teil in den ersten Schichten vergrößert die Kontaktfläche mit dem Untergrund, ohne die Spannungen auf dem Teil zu erhöhen. Dies trägt auch zur Erhöhung der Haftfestigkeit bei.
• Vermeiden Sie Ecken und abgerundete Kanten, die mit dem Untergrund in Berührung kommen. Die Ecken sind Belastungspunkte und die Bereiche, in denen sich das Teil abzulösen beginnt. Abgerundete Kanten in Kontakt mit der Basis verringern die Kontaktfläche mit der Basis und erhöhen die Spannungen im Teil. Es ist am besten, diese Art von Elementen bei der Konstruktion der Teile zu vermeiden, aber wenn dies nicht möglich ist, werden ihre Auswirkungen durch das Anbringen einer Kante an den Teilen minimiert.

Die folgenden Strategien können eingesetzt werden, um die Spannungen am Werkstück zu reduzieren:

• Verringern des Materialvolumens im Teil: Dies kann durch Optimierung des Füllmusters geschehen. Dies kann durch eine Verringerung des Füllungsanteils im Teil und einen Ausgleich des Eigenschaftsverlusts durch eine größere Anzahl von Perimetern oder durch eine Optimierung der Ausrichtung des Musters erfolgen.
• Verwenden Sie Materialien mit einem niedrigen Schrumpfungskoeffizienten: Unter den Materialien, die den technischen Anforderungen des Teils entsprechen, sollten solche mit einem niedrigeren Schrumpfungskoeffizienten ausgewählt werden. Faser- oder partikelbeladene Materialien haben im Allgemeinen niedrigere Schwindungskoeffizienten und bieten in vielen Fällen bessere mechanische Eigenschaften, was auch dazu beiträgt, dass die Füllstoffdichte ohne Eigenschaftsverluste reduziert werden kann.
• Erhöhung der Druckumgebungstemperatur: Drucker mit geschlossener oder passiver Kammer erreichen zwar nicht so hohe Temperaturen wie Drucker mit aktiv beheizter Kammer, können aber in vielen Fällen dank der von der Druckbasis abgestrahlten Wärme stabile Temperaturen zwischen 50 und 70 ºC halten. Eine gängige Strategie besteht darin, den Untergrund zu erwärmen und 10-15 Minuten lang zu halten, bevor der Druck beginnt.

Die folgenden Strategien können zur Verbesserung der Verbindung zwischen den Schichten angewandt werden:

• Verringerung der Schichthöhe: Eine geringere Schichthöhe bedeutet einen besseren Zusammenhalt zwischen den Schichten
• Erhöhen Sie die Temperatur und verringern Sie die Geschwindigkeit des Beschichtungsgebläses: Eine höhere Temperatur und eine langsamere Abkühlung sorgen ebenfalls für eine bessere Haftung der Beschichtung.
• Vergrößerung des Durchflusses: Diese Option wird nicht empfohlen, da sie die Abmessungen und Toleranzen der Teile verändert. Eine höhere Fließgeschwindigkeit hat jedoch eine ähnliche Wirkung wie eine geringere Schichthöhe, ohne jedoch die Druckzeiten zu verlängern.

Wie man das maximale Druckvolumen für jedes Material bestimmt

Es ist möglich, das maximale sichere Volumen oder die maximale Größe bei der Herstellung von Teilen mit einem bestimmten Material in unserem Drucker zu bestimmen. Dazu müssen wir die folgenden Schritte befolgen:

• Bereiten Sie ein geeignetes Druckprofil vor. Die maximale Teilegröße ist an dieses spezielle Profil gebunden. Wenn eine Variante dieses Profils hergestellt wird, muss das maximale Volumen neu bestimmt werden, wenn einer der folgenden Parameter geändert wird:
• Drucktemperatur
  Grundtemperatur
  Höhe der ersten Schicht
  Höhe der Schicht
  Durchflussmenge bei der Extrusion
  Geschwindigkeit der ersten Schicht
  Füllmuster
  Dichte des Füllstoffs
  Anzahl von Perimetern
• Suchen Sie nach der besten verfügbaren Haftfläche. Es ist ratsam, Flüssiglacke zu verwenden, die für die zu verwendenden Medien optimiert sind, und diese vor jedem Druck neu aufzutragen.
• Stellen Sie sicher, dass die Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen in dem Raum, in dem der Drucker aufgestellt ist, konstant sind.

Nach diesen ersten Schritten müssen iterative Tests durchgeführt werden, bis die maximale Größe gefunden ist. Zu diesem Zweck wird ein Würfel mit parallel zur Z-Achse gerundeten Kanten und einer Größe von etwa der Hälfte der Druckbasis verwendet.

Anhand dieses Schemas lässt sich die maximale sichere Druckgröße für eine bestimmte Material- und Profilkombination auf einem bestimmten Drucker ermitteln.

Sobald das maximale sichere Volumen bestimmt ist, sollte jedes Teil, das innerhalb dieses Volumens liegt, praktisch ohne Ausfallrisiko produziert werden können.

Um einen Sicherheitsspielraum zu haben, wird empfohlen, beim Drucken von Teilen mit maximaler Größe die Randoption im Druckprofil zu aktivieren (diese Funktion sollte während der iterativen Bestimmung der maximalen Größe nicht verwendet werden).