Festigkeit von 3D-gedruckten Teilen steigern: Bewährte Techniken

3D-Druck kann starke Polymer- und Metallteile erzeugen. Bestimmte Anwendungen erfordern jedoch deutlich mehr Festigkeit. Design und Materialwahl sind die kritischsten Faktoren für die Festigkeit eines 3D-gedruckten Teils. Doch auch ein gut designtes Teil kann Schwächen zeigen und im Einsatz versagen, wenn andere einfache, wichtige Verstärkungstechniken ignoriert werden.

Es gibt verschiedene Techniken zur Stärkung von 3D-Drucken. Diese lassen sich in drei Kategorien gliedern: Teilegeometrie, Druckeinstellungen und Nachbearbeitung.

Teilegeometrie

Die Geometrie des Teils spielt eine entscheidende Rolle für die Festigkeit eines 3D-Drucks. Der Einsatz von Fasen und Radien erhöht die mechanische Festigkeit von Kanten, während Rippen und Verstärkungen (Gussets) strukturelle Unterstützung bieten.

Fasen oder Radien verwenden

Fasen und Radien bieten ein starkes Fundament für dünnere Abschnitte in 3D-Teilen. Sie verhindern, dass die Düse empfindliche Teile vom Druck abschert.

Rippen und Verstärkungen verwenden

Rippen und Gussets sind dünne Auswölbungen, die senkrecht von einer Wand oder Ebene abstehen. Sie bieten Unterstützung und erhöhen die Festigkeit des Teils. Die Rippendicke sollte halb so groß wie die Wanddicke sein und im Mindestabstand von doppelt so viel Wanddicke angeordnet werden. Große, hohe Rippen sollten vermieden werden; stattdessen mehrere kleine Rippen nutzen.

3D-Druckeinstellungen

Optimale Einstellungen des 3D-Druckprozesses sind nötig, um stärkere Teile zu produzieren. Dazu gehören:

Infill beim 3D-Druck

Infill bezeichnet die Materialmenge innerhalb der Außenwände des 3D-Teils. Diese Technik wird häufig im FDM-3D-Druck zur Festigkeitssteigerung eingesetzt. Die Infill-Einstellung erfolgt über Infill-Muster und Infill-Dichte.

Infill-Muster

Dies ist eine sich wiederholende Struktur, die den Innenraum eines 3D-gedruckten Teils füllt. Sie ist meist unsichtbar. Es gibt zahlreiche Infill-Muster: Dreieck, Arch, Rechteck, Waben (hexagonal), konzentrisch. Arch-Muster eignet sich am besten für runde Teile. Das rechteckige Muster kann 100 % Dichte erreichen durch sein paralleles, senkrechtes Gitter. Das hexagonale Muster bietet das höchste Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, dauert aber am längsten.

Infill-Dichte

0 % Infill bedeutet kein Infill, 100 % Infill ergibt ein vollständig massives Teil. 100 % Infill macht das stärkste Teil, ist aber oft unnötiger Materialverbrauch, der Gewicht und Kosten erhöht. Das Wabenmuster eignet sich am besten für unter 50 %, das rechteckige für über 50 %. Gängige Infill-Dichten liegen zwischen 20 % und 25 %.

Teileausrichtung

3D-gedruckte Teile sind in Ebenen parallel zum Bauraum am stärksten, da die molekulare Bindung innerhalb einer Schicht viel stärker ist als die Haftbindung zwischen den Schichten. Das sind die X- und Y-Ebenen. Obwohl diese Technik häufig beim FDM verwendet wird, kann sie auch bei SLA und SLS zur Festigkeitsverbesserung eingesetzt werden. Die Teileausrichtung hängt davon ab, wo Lasten und Drücke im Teil auftreten.

Wandstärke (Shell Thickness)

Dies spielt eine signifikante Rolle bei der Stärkung von 3D-Teilen. Eine dickere Wand macht ein Teil stärker. Für FDM-Druck ist eine Wandstärke von 3- bis 4-facher Düsendurchmesser optimal für Teile, die schweren, anhaltenden Belastungen ausgesetzt sind. Die meisten 3D-Druckprozesse nutzen ein Standardminimum von ca. 1 mm. Eine Erhöhung verbessert Zug- und Schlagfestigkeit. Für detaillierte Empfehlungen zu anderen Technologien siehe unsere Design-Leitfäden.

Nachbearbeitung

Um die Festigkeit gedruckter Teile weiter zu erhöhen, können Sie auch Nachbearbeitung in Betracht ziehen. Folgende Nachbearbeitungsoperationen können die Festigkeit erheblich steigern.

Glühen (Annealing)

Glühen ist ein Prozess, bei dem ein 3D-gedrucktes Teil erhitzt und allmählich abgekühlt wird, um innere Spannungen abzubauen, was zu einem zäheren Teil führt. Während Metalle und Glas geglüht werden können, eignen sich nicht alle Polymere. Geeignete Materialien: PLA, PET, PA 12.

Galvanisieren (Electroplating)

Galvanisieren ist eine Nachdrucktechnik, bei der das Teil in eine Lösung aus Wasser und Metallsalzen getaucht wird. Bei Stromdurchgang bilden Metallkationen eine dünne Beschichtung um das Teil. Diese Technik kann auf 3D-Teile aus FDM, SLS, SLA oder SCM angewendet werden. Sie verleiht dem Teil nahezu identische mechanische Eigenschaften wie Metallteile und ist eine weit günstigere Alternative zum Metall-3D-Druck für viele Anwendungen.

Galvanisierte Teile sind jedoch innen noch Kunststoff; werden sie über die Erweichungstemperatur des inneren Kunststoffs erhitzt, geht die innere Festigkeit verloren, auch wenn das äußere Metall nicht schmilzt. Verschiedene Metalle können zum Galvanisieren verwendet werden: Zink, Chrom, Nickel, Kupfer etc. Vor dem Galvanisieren ist es wichtig, das 3D-Teil zu primen, um eine leitfähige Oberfläche für die Metallhaftung zu schaffen. Graphit wird häufig für das Priming verwendet.

Harzbeschichtung (Resin Coating)

Epoxidharze oder Polyesterharze können zur Beschichtung von 3D-gedruckten Teilen verwendet werden. Epoxidbeschichtung ist eine unlösliche Oberflächenbeschichtung mit Epoxidfarbe. Die Farbe enthält zwei Chemikalien: ein Epoxidharz und einen Härter. Die resultierende Beschichtung ist meist langlebiger und zäher als unbeschichtete Teile. Epoxidbeschichtung ist jedoch nicht geeignet, wenn extreme geometrische Genauigkeit und scharfe Kanten benötigt werden. Polyesterharze sind dünner und können über filigrane Teile verteilt werden. Das Harz beginnt nach 5 Minuten zu härten und trocknet meist in 24 Stunden vollständig. Harzbeschichtung kann auf jedes Teil jedes Druckers angewendet werden.

Kohlefaserverstärkung

Kohlenstoff- oder Glasfasern können auch zur Verstärkung von 3D-Teilen genutzt werden. Kohlenstofffaser hat ein exzellentes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und eignet sich am besten für Teile unter konstanter Belastung. Im Gegensatz zu Kohlenstoff biegen Glasfasern bis zum Versagen. Die Fasern können auf zwei Arten laminiert werden:

• Kurzfaserverstärkung: Fasern werden gehackt und mit dem Thermoplast gemischt, um Festigkeit und Steifigkeit zu verbessern.
• Endlosfaserverstärkung: Die Faser muss kontinuierlich in den Thermoplast integriert werden, während er extrudiert und abgelegt wird. Diese Technik erfordert zwei Düsen, die gleichzeitig drucken.

Fazit

Bei Xometry Europe bieten wir verschiedene Verstärkungsoptionen für 3D-gedruckte Teile auf Kundenwunsch an. Gehen Sie einfach zu unserer Instant-Quoting-Plattform, laden Sie Ihre Modelle hoch, wählen Sie Ihre Optionen – und schon wird Ihr hochfester 3D-gedruckter Teil in wenigen Tagen geliefert.