Einfluss von FFF-Druckparametern auf die mechanische Festigkeit 3D-gedruckter Bauteile

Diese Studie untersucht den Einfluss von 3D-Druckparametern, speziell der Fused Filament Fabrication (FFF)-Technik, auf die mechanischen Eigenschaften gefertigter Bauteile. Die Analyse umfasste 495 gedruckte Proben mit Variationen in Schlüsselparametern: Extrusionstemperatur, Druckgeschwindigkeit, Dichte, Infill-Geometrie, Layerhöhe und Wandanzahl.

Der BCN3D Epsilon W50 Drucker wurde verwendet, mit gängigen Materialien dieser Technologie: PLA, PETG, ABS. Die Bewertung der mechanischen Festigkeit erfolgte durch uniaxiale Zugtests unter Berücksichtigung der diversen Parameter. Die Studie testete insgesamt 495 Proben nach UNE-EN ISO 527-2 Type 1A Standard, entsprechend dem Prüfmodell für Kunststoffformung oder Extrusion.

Die Erwartung: Erhöhung von Extrusionstemperatur, Dichte und Wandanzahl führt zu Bauteilen mit verbesserten Eigenschaften. Höhere Druckgeschwindigkeit und reduzierte Layerhöhe könnten die mechanische Festigkeit potenziell verringern, wobei der genaue Einfluss ungewiss bleibt.

Hauptthesen

• Infill-Typ: Grid-Infill wird überlegene Festigkeit gegenüber Gyroid und Triangular vermutet – aufgrund seiner vernetzten Gitterstruktur.
• Infill-Dichte: Höhere Dichte wird erhöhte mechanische Festigkeit erwarten – mehr Material im Bauteil verbessert Spannungswiderstand.
• Layerhöhe: Niedrigere Layerhöhe wird nachteilig für mechanische Festigkeit vermutet – wegen Schwächen in der Schichthaftung.
• Druckgeschwindigkeit: Erhöhte Geschwindigkeit wird geringere Bauteilqualität vorhersagen – Extrusionsinstabilität, weniger effektive Schichtbindung, potenziell schwächere mechanische Festigkeit.
• Drucktemperatur: Höherer Temperaturbereich wird verbesserte Schichthaftung erwarten, damit mechanische Festigkeit. Niedrigere Temperaturen: Kalt-Extrusion mit Materialverlust.
• Wandanzahl: Höhere Wandanzahl wird signifikant erhöhte mechanische Festigkeit vermuten – größere strukturelle Stabilität.

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Ergebnisse

Im folgenden Abschnitt zeigen Diagramme verschiedene Ergebnisse und Schlussfolgerungen. Für detaillierte Analyse und Daten: Whitepaper konsultieren.

Einfluss des Infill-Typs

Bei Analyse der Daten und der Erkenntnis, dass je nach Material jeder Infill-Typ unterschiedlich wirkt, schließen wir: Das Muster hat keinen signifikanten oder relevanten Effekt auf die finale Teileeigenschaften. Zwar wiesen ABS- und PETG-Testproben mit Gyroid-Infill die höchsten Lasten auf, doch Unterschied und Variabilität im Vergleich zu PLA verhindern die Aussage, dass dieser Infill-Typ der beste für mechanische Eigenschaften ist. Die Ausgangsthese – Grid-Infill besser, gefolgt von Triangular, dann Gyroid – ist somit inkorrekt.

Einfluss der Infill-Dichte

Die Ergebnisse bestätigen die Ausgangsthese: Mechanische Eigenschaften steigen mit increasing Dichte. Deutlich bei PLA und PETG, bei ABS weniger spürbar – bis hin zu keiner Zugfestigkeitssteigerung zwischen 60 % und 80 % Infill. Ursache: Polymerstruktur – PLA/PETG kristallin, diese ABS-Formulierung amorpher. Zudem: Erhöhung der Dichte über 60 % bei ABS garantiert keine höhere mechanische Performance.

Einfluss der Layerhöhe

Wie erwartet: Erhöhung der Layerhöhe liefert bessere Performance. Weniger „Schwächen“ im Bauteil – die Schwächen sind die Verbindungsstellen jedes gedruckten Layers, da Schichthaftung nie die mechanische Festigkeit des Materials selbst erreicht.

Einfluss der Druckgeschwindigkeit

Nach Datenanalyse: Wie höhere Druckgeschwindigkeit Instabilität in Materialextrusion erhöht und damit Imperfektionswahrscheinlichkeit – was zu schlechterer mechanischer Festigkeit führt –, gibt es auch ein unteres Limit. Nicht wahr: niedrigere Geschwindigkeit = höhere mechanische Festigkeit. Jedes Material hat optimalen Arbeitstemperaturbereich. Unter diesem: kaltes Extrudieren. Über diesem: Materialdegradation, Kristallisation der Polymerstruktur, inkorrekte Extrusion.

Für besseres Verständnis: Kurze Erklärung der Drucktemperatur (Arbeitstemperatur) von Materialien. Druckgeschwindigkeit beeinflusst Filament-Extrusion, da sie die Rate ist, mit der Filament durch Heat Block läuft. Heat-Block-Temperatur (Drucktemperatur) muss höher sein als Schmelzpunkt des Materials – um Wärmeübertragungsdefizit zum Filament auszugleichen. FFF-Drucktemperatur ist typischerweise weit höher als Schmelztemperatur. Sehr niedrige Druckgeschwindigkeit: Material degradiert während Extrusion, verliert mechanische Eigenschaften.

Drucktemperatur

Basierend auf Daten und vorheriger Analyse von Druckgeschwindigkeit, Einfluss von Dichte/Layerhöhe: Drucktemperatur verbessert mechanische Eigenschaften nicht signifikant oder lässt keine konstante Steuerung des Fertigungsergebnisses zu. Wie bei Druckgeschwindigkeit: Drucktemperatur wirkt auf jedes Material unterschiedlich und nicht immer vorhersehbar.

Bei PLA: Trend wie erwartet. Bei ABS und PETG: nicht. Wahrscheinlich definieren Polymerstruktur und Glasübergangstemperatur jedes Materials diese Trendlinie.

Wandanzahl

In diesem Test: Jede Erhöhung der Wandanzahl erhöht Zugfestigkeit der Proben in jedem Material – wie bei Tests 2.2 (Infill-Dichte) und 2.3 (Layerhöhe). Bei PETG: Entwicklung in jedem Inkrement deutlicher – möglicherweise wegen geringerer Abweichungen in anderen Tests. Logisch: Jede Wand-Erhöhung erhöht Zugfestigkeit konsistent um gleichen Wert. Klar bei PETG-Proben: Jede zusätzliche Wand erhöht Maximal-Kraft um 30 %. PETG als Referenz, da es laut Testabweichungen am wenigsten von externen Faktoren beeinflusst wurde.

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