Einfluss der FFF-Druckparameter auf die mechanische Festigkeit von 3D-gedruckten Teilen

Diese Studie zielt darauf ab, den Einfluss von 3D-Druckparametern, insbesondere unter Verwendung der Fused Filament Fabrication (FFF)-Technik, auf die mechanischen Eigenschaften produzierter Teile zu untersuchen. Die Analyse umfasste die Untersuchung von 495 gedruckten Mustern mit Variationen wichtiger Parameter wie Extrusionstemperatur, Druckgeschwindigkeit, Dichte, Füllgeometrie, Schichthöhe und Anzahl der Wände.

Zum Einsatz kam der BCN3D Epsilon W50-Drucker, der häufig in dieser Technologie verwendete Materialien verwendet:PLA, PETG und ABS. Die Beurteilung der mechanischen Festigkeit erfolgte durch einachsige Zugversuche unter Berücksichtigung der vielfältigen Parameter. Diese Studie wurde durchgeführt, indem insgesamt 495 Proben gemäß der Norm UNE-EN ISO 527-2 Typ 1A getestet wurden, wobei das Testmodell für Kunststoffformung oder Extrusion eingehalten wurde.

Es wird erwartet, dass eine Erhöhung der Extrusionstemperatur, der Dichte und der Anzahl der Wände dazu führt, dass gedruckte Teile verbesserte Eigenschaften aufweisen. Infolgedessen können eine höhere Druckgeschwindigkeit und eine geringere Schichthöhe möglicherweise zu einer Verringerung der mechanischen Festigkeit führen, obwohl das genaue Ausmaß ihrer Auswirkungen ungewiss bleibt.

Haupthypothesen

• Füllungstyp :Es wird vermutet, dass die Gitterfüllung im Vergleich zu Gyroid- und Dreiecksfüllungen aufgrund ihrer miteinander verbundenen Gitterstruktur eine höhere Festigkeit bietet.
• Füllungsdichte: Es wird erwartet, dass eine höhere Fülldichte zu einer höheren mechanischen Festigkeit beiträgt, da mehr Material im Inneren des Teils dessen Widerstandsfähigkeit gegenüber Belastungen verbessern dürfte.
• Ebenenhöhe: Es wird angenommen, dass sich eine geringere Schichthöhe aufgrund der schwächeren Haftung zwischen den Schichten negativ auf die mechanische Festigkeit auswirkt.
• Druckgeschwindigkeit: Es wird vorhergesagt, dass eine erhöhte Druckgeschwindigkeit aufgrund von Extrusionsinstabilität und einer weniger effektiven Bindung zwischen den Schichten zu einer schlechteren Teilequalität führt, was möglicherweise zu einer Schwächung der mechanischen Festigkeit führt.
• Drucktemperatur: Es wird erwartet, dass ein höherer Temperaturbereich die Bindung zwischen den Schichten verbessert und dadurch die mechanische Festigkeit der Teile erhöht. Umgekehrt könnten niedrigere Temperaturen zu einer Kaltfließpressung mit Materialverlust führen.
• Anzahl der Wände: Eine höhere Anzahl an Wänden wird empfohlen, um die mechanische Festigkeit der gedruckten Teile deutlich zu erhöhen und so für eine größere strukturelle Stabilität zu sorgen.

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Ergebnisse

Im folgenden Abschnitt zeigen die Diagramme verschiedene Ergebnisse und Schlussfolgerungen. Detaillierte Analysen und Daten finden Sie im Whitepaper.

Auswirkung auf den Fülltyp

Wenn wir die erhaltenen Daten analysieren und sehen, dass sich jede Füllungsart je nach Material unterschiedlich auswirkt, können wir schlussfolgern, dass das Muster keinen signifikanten oder relevanten Einfluss auf die Endeigenschaften der Stücke hat. Es stimmt zwar, dass sowohl ABS- als auch PETG-Testproben mit der Gyroid-Füllung die höchsten Belastungen erbringen, der Unterschied und die Variabilität im Vergleich zu PLA hindern uns jedoch daran, zu behaupten, dass diese Art der Füllung im Hinblick auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften am besten ist. Daher ist die Prämisse, von der dieser Test ausging und die eine bessere Leistung der Gitterfüllung, gefolgt von der dreieckigen und zuletzt der Gyroidleistung erwartete, falsch.

Auswirkung der Fülldichte

Durch die Analyse der erhaltenen Ergebnisse können wir den Schluss ziehen, dass die vor dem Test aufgestellte Prämisse korrekt war. Mit anderen Worten:Die mechanischen Eigenschaften der Stücke nehmen mit zunehmender Dichte zu. Diese Aussage ist bei PLA und PETG viel klarer, während sie bei ABS viel weniger auffällig ist, bis zu dem Punkt, dass die Zugfestigkeit zwischen den Proben mit 60 % Füllung und denen mit 80 % Füllung nicht zunimmt. Dies kann auf die Art der Polymerstruktur zurückzuführen sein, die jedes der Materialien bildet, wobei PLA und PETG Materialien mit einer kristallinen Struktur sind, während diese ABS-Formulierung eine eher amorphe Struktur aufweist. Darüber hinaus können wir den Schluss ziehen, dass eine Erhöhung der Dichte gedruckter ABS-Teile um mehr als 60 % keine höhere mechanische Leistung gewährleistet.

Auswirkung der Ebenenhöhe

Wie erwartet sorgt die Erhöhung der Schichthöhe für eine bessere Leistung der gedruckten Stücke. Dies liegt daran, dass es, wie bereits erwähnt, im gesamten Stück weniger „Schwächen“ gibt. Diese Schwachstellen sind die Verbindungen der einzelnen gedruckten Schichten, da die Haftung zwischen den Schichten niemals die gleiche mechanische Festigkeit aufweisen wird wie das Material selbst.

Auswirkung der Druckgeschwindigkeit

Nach der Analyse der Daten kommen wir zu dem Schluss, dass eine höhere Druckgeschwindigkeit nicht nur die Instabilität der Materialextrusion erhöht und damit die Möglichkeit von Unvollkommenheiten im gedruckten Teil erhöht, was zu einer schlechteren mechanischen Beständigkeit führt, sondern dass es auch eine Untergrenze für diese Druckgeschwindigkeit gibt. Das heißt, es stimmt nicht, dass eine geringere Druckgeschwindigkeit zu einer höheren mechanischen Beständigkeit führt. Jedes Material verfügt über einen optimalen Arbeitstemperaturbereich zum Drucken. Wenn die Arbeitstemperatur unter diesem Bereich liegt, wird das Material kalt extrudiert. Liegt die Drucktemperatur über diesem Bereich, kann sich das Material zersetzen, seine Polymerstruktur kristallisieren und eine fehlerhafte Extrusion verursachen.

Zum besseren Verständnis der folgenden Schlussfolgerung ist eine kurze Erläuterung der Drucktemperatur (Arbeitstemperatur) von Materialien notwendig. Wie bereits erläutert, wirkt sich die Druckgeschwindigkeit auf die Filamentextrusion aus, da es sich bei dieser Geschwindigkeit um die Geschwindigkeit handelt, mit der das Filament den Heizblock passiert. Dies bedeutet, dass die Temperatur des Wärmeblocks (Drucktemperatur) höher sein muss als die Schmelzpunkttemperatur des Materials, da sie das Defizit bei der Wärmeübertragung zum Filament ausgleichen muss. Mit anderen Worten, und daraus schließen wir, dass die Drucktemperatur, bei der Materialien typischerweise in FFF extrudiert werden, viel höher ist als die Schmelztemperatur des Materials. Wenn die Druckgeschwindigkeit daher sehr niedrig ist, kann sich das Material während der Extrusion zersetzen und dadurch Eigenschaften des Materials selbst, einschließlich mechanischer Eigenschaften, verlieren.

Drucktemperatur 

Unter Berücksichtigung der erhaltenen Daten und einer vorherigen Analyse der Druckgeschwindigkeit und der Auswirkungen verschiedener Parameter wie Dichte oder Schichthöhe kommen wir zu dem Schluss, dass die Drucktemperatur nicht wesentlich zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften beiträgt bzw. dass es schwierig ist, eine Konstante festzulegen, um das Endergebnis der Herstellung zu kontrollieren. Das heißt, wie bei der Druckgeschwindigkeit wirkt sich die Drucktemperatur auf jedes Material in unterschiedlichem Maße und nicht immer auf leicht vorhersehbare Weise aus.

Bei PLA ist der Trend zwar erwartungsgemäß, bei ABS und PETG jedoch nicht. Es ist höchstwahrscheinlich, dass die Polymerstruktur der verschiedenen Materialien und die Glasübergangstemperatur jedes Materials diese Trendlinie definieren.

Anzahl der Wände

Bei diesem Versuch konnten wir wie bei den Versuchen 2.2 (Füllungsdichte) und 2.3 (Schichthöhe) deutlich beobachten, dass jede Erhöhung der Wandzahl die Zugfestigkeit der Proben in den einzelnen Materialien erhöht. Im Fall von PETG war die Entwicklung bei jedem Schritt deutlich deutlicher, was jedoch möglicherweise auf die Abweichungen zu den anderen Tests zurückzuführen ist. Es ist sinnvoll und erwartungsgemäß, dass jede Erhöhung der Wandzahl die Zugfestigkeit in gleicher Weise erhöht. Das heißt, jede Vergrößerung der Wände führt dazu, dass die maximale Kraft konstant um denselben Wert ansteigt. Deutlich zu beobachten ist dies bei der Prüfung von PETG-Proben, bei denen jedes Mal, wenn den Proben eine Wand hinzugefügt wird, die maximale Kraft um 30 % ansteigt. Wir nehmen PETG als Beispiel, weil wir aufgrund der Abweichungen bei den Tests zu dem Schluss kommen, dass es dasjenige war, das am wenigsten durch externe Einflüsse beeinflusst wurde.

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