Maßgenauigkeit von 3D-gedruckten Teilen

Einführung

Das Ziel dieses Artikels ist es, Ingenieuren und Designern eine Methode zum Vergleich der erwarteten Maßgenauigkeit an die Hand zu geben, die von 3D-Drucktechnologien erreicht werden kann. Obwohl alle Technologien Stärken und Schwächen haben, sind die beiden wichtigsten Faktoren dafür, ob ein Teil gemäß den Spezifikationen gedruckt wird, die folgenden:

Design - Die Genauigkeit eines gedruckten Teils hängt stark vom Design ab. Schwankungen beim Abkühlen und Aushärten führen zu inneren Spannungen, die zu Verzug oder Schrumpfung führen können. Der 3D-Druck ist nicht für flache Oberflächen oder lange, dünne, nicht unterstützte Merkmale geeignet. Die Genauigkeit nimmt auch ab, wenn die Teilegrößen größer werden. Spezifische Designempfehlungen für jede der in diesem Artikel besprochenen Technologien finden Sie in Kapitel 5 der Wissensdatenbank.

Materialien - Wie das Design hängt auch die Genauigkeit vom Material ab. Oft wird die Genauigkeit eines Teils der Verbesserung einer bestimmten Materialeigenschaft geopfert. Beispielsweise erzeugt ein Standard-SLA-Harz maßgenauere Teile als flexibles Harz. Für Teile, bei denen es auf hohe Genauigkeit ankommt, werden standardmäßige Druckmaterialien empfohlen.

Genauigkeitsvariablen

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

• Maßgenauigkeit - quantitative Werte von Maschinenherstellern und Materiallieferanten, die die erwartete Genauigkeit von Teilen angeben. Alle angegebenen Toleranzen beziehen sich auf gut konstruierte Teile auf gut kalibrierten Maschinen.
  
• Verzug oder Schrumpfung - die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Teil während der Druckphase verzieht oder schrumpft. Dies hängt stark vom Design ab, aber einige Prozesse produzieren Teile, die von Natur aus stärker verformt oder schrumpfen.
  
• Supportanforderungen - Bei vielen 3D-Drucktechnologien bestimmt die Menge der verwendeten Unterstützung, wie genau eine Oberfläche oder ein Merkmal gedruckt wird. Der Nachteil dabei ist, dass Stützstrukturen die Oberflächenbeschaffenheit eines Teils beeinträchtigen, da sie entfernt werden müssen.
  
  

Informationen zur minimalen Strukturgröße und Details, die jede 3D-Drucktechnologie erreichen kann, finden Sie hier. Die Auswirkungsschichthöhe auf einem 3D-gedruckten Teil wird in diesem Artikel diskutiert.

FDM

Fused Deposition Modeling (FDM) eignet sich am besten für kostengünstiges Prototyping, bei dem Form und Passform wichtiger sind als Funktion. FDM produziert Teile Schicht für Schicht, indem ein Thermoplast auf eine Bauplatte extrudiert wird.

Bei großen Teilen kann dies zu großen Temperaturschwankungen auf der Bauplattform führen. Da verschiedene Bereiche des Teils mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abkühlen, führt die innere Spannung dazu, dass sich der Druck verformt, was zu einem Verziehen oder Schrumpfen führt. Lösungen wie Druckflöße, beheizte Betten und Radien an scharfen Kanten und Ecken können helfen, dies zu reduzieren.

Verschiedene Materialien neigen eher zum Verziehen als andere. Beispielsweise ist ABS bekanntermaßen anfälliger für Verformungen als PLA.

Maßtoleranz	± 0,5 % (untere Grenze:± 0,5 mm) – Desktop ± 0,15 % (untere Grenze:± 0,2 mm) – Industrie
Schrumpfung/Verzug	Thermoplaste, die eine höhere Drucktemperatur erfordern, sind stärker gefährdet. Es wird empfohlen, einen Radius an der Unterkante in Kontakt mit der Bauplatte oder einen Rand hinzuzufügen. Die Schrumpfung tritt je nach Material normalerweise im Bereich von 0,2 - 1 % auf.
Supportanforderungen	Wichtig, um ein genaues Teil zu erzielen. Erforderlich für Überhänge größer als 45 o Grad.

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SLA

SLA-Drucker (Stereolithographie) verwenden einen Laser, um bestimmte Bereiche eines Harztanks mit UV zu härten, um Querschnitt für Querschnitt ein festes Teil zu bilden. Diese gehärteten Bereiche sind jedoch bis zur Nachbearbeitung mit UV nicht in voller Stärke. Aus diesem Grund und aufgrund des Winkels und der Ausrichtung, in denen SLA-Teile normalerweise gedruckt werden, kann es zu einem Durchhängen von nicht unterstützten Spannen kommen.

Wenn jeweils eine Schicht aufgebaut wird, wird dieser Effekt kumulativ, was zu Maßabweichungen führt, die manchmal bei hohen SLA-Teilen zu sehen sind. Maßabweichungen können auch aufgrund des von einigen SLA-Druckern verwendeten Abziehverfahrens auftreten. Die Zugkraft beim Abziehvorgang kann dazu führen, dass sich der weiche Aufdruck verbiegt, was sich beim Aufbau jeder Schicht wieder ansammeln kann.

Harze mit höheren Biegeeigenschaften (weniger steif) sind stärker verformungsgefährdet und möglicherweise nicht für Anwendungen mit hoher Genauigkeit geeignet.

Maßtoleranz	± 0,5 % (Untergrenze:± 0,10 mm) – Desktop ± 0,15 % (Untergrenze:± 0,01 mm) – Industrie
Schrumpfung/Verzug	Wahrscheinlich für nicht unterstützte Spans.
Supportanforderungen	Wichtig, um ein genaues Teil zu erzielen.

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SLS

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

Um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass sich Teile während des Druckens verziehen oder schrumpfen, verwenden SLS-Drucker beheizte Baukammern, die das Pulver auf knapp unter die Sintertemperatur erhitzen. 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 verbleiben. Um die Wahrscheinlichkeit des Verziehens weiter zu mindern, werden die Teile im Pulver belassen, um langsam abzukühlen (häufig für 50 % der gesamten Bauzeit).

Maßtoleranz	± 0,3 % (Untergrenze:± 0,3 mm)
Schrumpfung/Verzug	Schrumpfung tritt normalerweise im Bereich von 2–3 % auf, die meisten SLS-Druckanbieter berücksichtigen dies jedoch im Design.
Supportanforderungen	Nicht erforderlich.

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Materialstrahlen

Material Jetting gilt als die genaueste Form des 3D-Drucks. Da beim Druckvorgang keine Wärme involviert ist, treten Verwerfungen und Schrumpfungen selten auf.

Die meisten Probleme mit der Maßgenauigkeit beziehen sich auf Merkmale und dünne Wände, die unterhalb der Druckerspezifikationen gedruckt werden. Material Jetting druckt als feste Struktur aus einem weichen Sekundärmaterial, das nach dem Drucken entfernt wird. Die feste Beschaffenheit des Trägers führt dazu, dass mit dem Träger in Kontakt stehende Oberflächen mit einem hohen Maß an Genauigkeit bedruckt werden. Beim Umgang mit Teilen, die durch Material Jetting hergestellt wurden, ist Vorsicht geboten, da sie sich verziehen und ihre Abmessungen ändern können, wenn sie Umgebungswärme, Feuchtigkeit oder Sonnenlicht ausgesetzt werden.

Maßtoleranz	± 0,1 % (Untergrenze:± 0,05 mm)
Schrumpfung/Verzug	Kein Problem beim Materialstrahlen.
Supportanforderungen	Wichtig, um ein genaues Teil zu erreichen.

Metall-3D-Druck

Metalldruck (insbesondere DMLS und SLM) verwendet einen Laser, um Metallpulver selektiv zu sintern oder zu schmelzen, um Metallteile herzustellen. Ähnlich wie SLS produziert der Metalldruck Teile Schicht für Schicht in einer kontrollierten, beheizten Umgebung auf Maschinen in Industriegröße. Dieser schichtweise Aufbau in Verbindung mit den sehr hohen Temperaturen, die mit dem Prozess verbunden sind, erzeugt extreme Wärmegradienten, und der Nettoeffekt ist, dass Spannungen in das Teil eingebaut werden.

Infolgedessen besteht bei gedruckten Metallteilen ein hohes Risiko, dass sie sich verziehen oder verziehen, was bedeutet, dass gute Konstruktionspraktiken und Teileausrichtung entscheidend sind, um ein genaues Teil zu erhalten. Im Gegensatz zu SLS sind Stützstrukturen unerlässlich, um die Verformung des Teils während der Produktion zu minimieren. Teile sind im Allgemeinen auch auf einer soliden Metallplatte aufgebaut und müssen entfernt werden, sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist. Ein solides Verständnis des Prozesses ist zusammen mit soliden und Gitterstützstrukturen erforderlich, um das Teil sicher am Druckbett zu halten und zu verhindern, dass es sich löst. Die meisten Teile werden nach dem Bau und vor dem Entfernen von der Bauplatte auch spannungsfrei (über einen Wärmebehandlungsprozess) (dadurch kann sich die Kristallstruktur entspannen und ein späteres Versagen verhindern).

Da die Kosten für 3D-gedruckte Metallteile hoch sind, werden häufig Simulationen verwendet, um die Genauigkeit eines Designs zu validieren, bevor mit dem Druckauftrag begonnen wird.

Maßtoleranz	± 0,1 mm
Schrumpfung/Verzug	Teile mit hohem Schrumpfungs- oder Verzugsrisiko. Verstrebungen und Stützen werden verwendet, um die Wahrscheinlichkeit dieses Auftretens zu verringern.
Supportanforderungen	Wichtig, um ein genaues Teil zu erzielen.

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Faustregeln

• Für höchste Genauigkeit (und wenn das Budget keine Beschränkung darstellt) ist Material Jetting die optimale Lösung.
  
• Für hohe Genauigkeit wird SLA für Teile kleiner als 1000 cm ³ empfohlen (10 x 10 x 10 cm) und SLS für Teile mit Abmessungen über 1000 cm ³ (10 x 10 x 10 cm).
  
• Schnelles, kostengünstiges Prototyping FDM ist die beste Lösung.