Beherrschung der Oberflächenbeschaffenheit im 3D-Druck:Grundlegende Techniken für eine hervorragende Teilequalität

Beginnen wir zunächst mit einer Einführung in das Konzept der Oberflächenveredelung im 3D-Druck. Einfach ausgedrückt ist es ein qualitatives Maß dafür, wie rau die Oberfläche eines Teils nach dem Drucken ist. Eine sehr glatte Oberfläche gilt als „fein“, während eine raue Oberfläche eine „schlechte“ Oberflächenbeschaffenheit aufweist.

Dies ist ein entscheidender Schritt in jedem Herstellungsprozess, da für fast jedes Produkt strenge Anforderungen an die Oberflächenqualität gelten. Ein Blatt Papier zum Beispiel erfüllt seinen Zweck nicht, wenn es zu grob zum Beschreiben ist und wird sich auf dem Markt nicht durchsetzen.

Daher hat das Erreichen der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit für 3D-Druckhersteller höchste Priorität. Oftmals handelt es sich hierbei um eine Nachbearbeitungsaufgabe, die zahlreiche Techniken erfordert, die gleich besprochen werden.

Darüber hinaus stellt die Endbearbeitung von 3D-gedruckten Teilen aufgrund der inhärenten Qualitäten additiver Fertigungsverfahren eine besondere Herausforderung dar. Da Teile Schicht für Schicht aufgebaut werden, besteht ihre Oberfläche aus einem sich wiederholenden Muster aus Graten und Tälern, die unter Wahrung der Integrität des Teils abgeflacht werden müssen.

Es gibt mehrere Gründe für die Festlegung spezifischer Ziele für die Oberflächenbeschaffenheit des 3D-Drucks. Diese Gründe können sowohl oberflächlicher als auch funktioneller Natur sein. Nachfolgend finden Sie eine zusammengefasste Liste verschiedener solcher Gründe.

1. Ästhetik

Eine gute Oberflächenbeschaffenheit trägt zum ästhetischen Wert des Teils bei. Dazu gehören Elemente des Aussehens wie Farbe, Textur und Robustheit (glänzend/matt).

2. Mechanische und chemische Eigenschaften

Oberflächenveredelungsmethoden können die Leistung von 3D-gedruckten Teilen verbessern. Beispielsweise können Metallteile beschichtet werden, um sie korrosionsbeständig und elektrisch leitfähig zu machen. Einige Methoden erhöhen die Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen und Verschleiß bei Teilen, die für harte und anspruchsvolle Anwendungen vorgesehen sind.

3. Funktionalität

Bestimmte Anwendungen erfordern eine spezielle Oberflächenbeschaffenheit, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Eine Presspassung beispielsweise hängt stark von der Oberflächenqualität der Gegenteile ab. In anderen Fällen könnte daher eine raue Oberfläche vorzuziehen sein, um die Oberfläche für eine effektive Wärmeübertragung zu verbessern.

4. Fertigungstoleranz

Bei der 3D-Druckveredelung werden häufig Oberflächenbehandlungen eingesetzt, um die Maßtoleranzen eines Teils einzuhalten. Daher kann zu diesem Zweck zusätzliches Material entfernt oder mehr Material hinzugefügt werden.

Der 3D-Druck ist ein komplexer Prozess mit vielen Faktoren und beweglichen Teilen. Jeder dieser Faktoren beeinflusst die Oberflächenbeschaffenheit des 3D-Drucks auf unterschiedliche Weise. Ein Ingenieur muss ein fundiertes Verständnis davon haben, um zu wissen, was er optimieren muss, um das gewünschte 3D-Druck-Finish zu erzielen.

1. 3D-Druckprozess

Die Oberflächenbeschaffenheit des 3D-Drucks variiert erheblich zwischen verschiedenen 3D-Drucktechniken. FDM beispielsweise ist aufgrund seines schichtweisen Abscheidungsprozesses anfällig für Probleme wie eine geringe Oberflächenauflösung und Verformungen. Pulverbasierte Methoden wie der SLS-3D-Druck erzeugen verständlicherweise eine körnige Oberflächenbeschaffenheit, da die Teile aus Pulverpartikeln hergestellt werden.

2. 3D-Druckerparameter

Die Parameter des 3D-Drucks spielen eine wesentliche Rolle bei der endgültigen Oberflächenbeschaffenheit. Je geringer beispielsweise die Schichtdicke (oder Auflösung) ist, desto glatter sieht die Oberfläche aus. Auch die Druckgeschwindigkeit, der Aushärtungsprozess und die Füllung sind wichtige Einflussfaktoren auf die Oberflächenqualität.

3. 3D-Druckmaterial

3D-Druckmaterialien haben unterschiedliche Eigenschaften und sind mit verschiedenen Methoden kompatibel. Abweichungen in der Oberflächenbeschaffenheit können auch auf Materialbeschränkungen und -eigenschaften zurückzuführen sein.

4. 3D-Druckerqualität

Auch Bauart und Zustand von 3D-Druckern beeinflussen die Oberflächenbeschaffenheit. Billigdrucker können keine Teile mit hoher Oberflächenqualität herstellen. Ebenso verliert ein alter, schlecht gewarteter 3D-Drucker mit der Zeit an Genauigkeit. Zu den Faktoren, die dazu beitragen, gehören der Zustand der Schienen und Motoren des 3D-Druckers, die Ausrichtung von Rahmen/Basis, die Fähigkeiten der Steuerung, der Zustand der Stromquelle usw.

Die folgende Tabelle vergleicht die 3D-Druck-Oberflächenbeschaffenheit des beliebten 3D-Druckverfahrens.

3D-DruckprozessOberflächenrauheit (Ra)FDM/FFF10SLD/DLP3SLS13PBF15

Wir haben verschiedene Aspekte der Oberflächenveredelung beim 3D-Druck gründlich untersucht. Kommen wir nun zu den zahlreichen Methoden, die Ingenieure zur Endbearbeitung von 3D-Druckteilen verwenden.

Diese Techniken unterscheiden sich erheblich in Bezug auf Wirksamkeit, Kosten, Qualifikationsanforderungen und Gesamtmethodik. Im Folgenden besprechen wir einige der wichtigsten dieser Optionen.

1. Schleifen

Schleifen ist die gebräuchlichste Methode zur Endbearbeitung von 3D-Druckern. Dabei handelt es sich um einen einfachen Vorgang, bei dem raues Schleifpapier über die Oberfläche des Teils gerieben wird, um es zu glätten. Unvollkommene Merkmale auf der Oberfläche, wie z. B. Vorsprünge und scharfe Ecken, brechen während dieses Vorgangs entweder ab oder werden durch die Reibung abgeflacht.

Es handelt sich um eine sehr praktische Technik, da sie sehr intuitiv, kostengünstig und effektiv ist und auf den meisten Materialien funktioniert. Schleifpapier gibt es in verschiedenen Qualitäten, die sich in der Körnung unterscheiden. Grobe Körnungen haben eine größere Körnung und tragen mehr Material ab, hinterlassen aber gleichzeitig eine rauere Oberfläche.

Normalerweise beginnt der Schleifprozess mit groben Körnungen und geht dann schrittweise zu feineren Körnungen über, wenn die Oberfläche glatter wird.

Allerdings muss man beim Schleifen vorsichtig sein, da leicht überschüssiges Material entfernt und das Teil zerstört werden kann. Daher ist es auch ein zeitaufwändiger Prozess und möglicherweise nicht für einen hochproduktiven Job geeignet.

Die endgültige Oberflächenbeschaffenheit des 3D-Drucks ist nicht glänzend glatt. Vielmehr hat es eine matte Oberfläche. Um die Oberflächenqualität weiter zu verbessern, können Poliertücher, extrafeine Schleifpapiere oder Lackieren/Beschichten verwendet werden.

2. Bearbeiten/Schleifen

Obwohl 3D-Druck und CNC-Bearbeitung häufig als gegensätzliche Fertigungstechnologien dargestellt werden, die im Kampf um die Vorherrschaft in der Branche gegeneinander ausgespielt werden, gibt es mehrere Möglichkeiten, wie sie sich gegenseitig ergänzen. Eine dieser Hybridanwendungen ist die Endbearbeitung von 3D-Druckteilen.

Viele 3D-Druckmethoden sind nicht in der Lage, die feine Oberflächengüte subtraktiver Prozesse wie Bearbeiten und Schleifen zu erreichen.

Daher ist nach dem 3D-Druck ein Endbearbeitungszyklus aus Bearbeitung/Schleifen sehr üblich. Es ist äußerst effektiv bei der Einhaltung enger Toleranzen und außergewöhnlich glatter Oberflächen. Darüber hinaus ist die maschinelle Bearbeitung ein vielseitiges Werkzeug, das in schwer zugänglichen Bereichen wie Innenlöchern oder gekrümmten Merkmalen nützlich ist.

Darüber hinaus ist es mit den meisten 3D-Druckmaterialien kompatibel, sowohl auf Kunststoffbasis als auch aus Metall.

3. Perlenstrahlen

Perlenstrahlen ist eine weitere beliebte abrasive Veredelungstechnik für den 3D-Druck. Wie der Name schon sagt, werden dabei kleine Kunststoff- oder Glasperlen auf die raue Oberfläche gestrahlt. Der Aufprall führt dazu, dass Oberflächenfehler abgeflacht werden.

Im Vergleich zum Schleifen ist es eine schnelle Methode. Darüber hinaus können die Perlen auch auf schwer zugängliche Stellen gerichtet werden und Innenflächen glätten, die mit Handschleifpapier nicht so gut zugänglich sind.

Normalerweise beginnt das Strahlen mit einem niedrigen Druck, um die Abrasionsrate zu beurteilen. Dies ist notwendig, da durch zusätzlichen Druck zusätzliches Material entfernt oder die Oberfläche beschädigt werden kann. Bei entsprechender Sichtprüfung und Erfahrung kann der Bediener dann den Strahldruck erhöhen, um die Oberflächenbeschaffenheit des 3D-Drucks zu optimieren.

Darüber hinaus gibt es verschiedene andere ähnliche Verfahren wie Sandstrahlen, Kugelstrahlen und Wasserstrahlen, die sich jedoch geringfügig voneinander unterscheiden.

4. Beschichtung

Beim Galvanisieren (Galvanisieren) wird elektrisch eine dünne Metallschicht auf eine Kunststoff- oder Metalloberfläche aufgetragen. Aufgrund seiner vielfältigen Vorteile und seines Komforts ist es eine gängige Praxis für die Endbearbeitung von 3D-Druckteilen.

In den meisten Fällen verbessert die Beschichtung verschiedene Materialeigenschaften des Teils. 3D-gedruckte Kunststoffteile sind verständlicherweise schwach und bruchanfällig. Die Beschichtung mit einem geeigneten Metall kann ihre Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit erhöhen und ihnen die Fähigkeit verleihen, höheren Temperaturen standzuhalten.

Darüber hinaus kann die Galvanisierung bei Metallteilen verschiedene nützliche Eigenschaften wie Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit, Lötbarkeit und elektrische Leitfähigkeit hervorrufen.

Abgesehen von diesen funktionalen Zwecken dient die Beschichtung auch als hervorragende Möglichkeit, die Ästhetik einer 3D-Druck-Oberflächenveredelung zu verbessern. Metallische Beschichtungen wie Gold, Silber und Chrom verleihen den Teilen eine überragende Ästhetik.

5. Malerei

Malen ist ein unkomplizierter und gut verständlicher Prozess. Es dient dem gleichen Zweck wie an jedem anderen Ort:einem besseren Erscheinungsbild. Denn beim Lackieren hat der Anwender die Möglichkeit, nahezu jede Farbe und Optik zu wählen.

Üblicherweise wird vor dem Lackiervorgang eine Grundierung und Spachtelmasse aufgetragen. Dadurch wird die Oberfläche leicht geglättet, indem Lücken und Täler bis zu einem gewissen Grad ausgefüllt werden und die Oberfläche besser auf einen Anstrich (oder mehrere Anstriche) vorbereitet wird.

Darüber hinaus dient das Lackieren in gewissem Maße auch dem praktischen Zweck der Versiegelung. Obwohl es sich nicht um ein Dichtmittel im eigentlichen Sinne handelt, kann es in einer Nebenrolle auch so wirken. Angesichts des beim 3D-Druck vorherrschenden Problems der Porosität ist dies ein vorteilhafter Effekt.

Welche Oberflächenveredelungsmethode für den 3D-Druck ist die beste?

Es kommt ganz auf die Anwendung an. Denn jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile und ist für eine bestimmte Produktklasse geeignet. Wenn es Ihnen nur um die Ästhetik geht, ist Malen oder Beschichten die beste Wahl. Wenn Ihr Produkt funktionale Anforderungen wie beispielsweise elektrische Leitfähigkeit hat, können Sie ein geeignetes Material zum Galvanisieren in Betracht ziehen.

Hat der 3D-Druck ein besseres Finish als der CNC-Druck?

Im Allgemeinen ist die CNC-Bearbeitung hinsichtlich der Oberflächenrauheit dem 3D-Druck überlegen. Mit den richtigen Oberflächenveredelungstechniken und der Auswahl des Druckers/der Methode kann diese Lücke jedoch erheblich verringert werden.