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Schicht für Schicht: Abschätzung der Festigkeit 3D-gedruckter Bauteile

 

     


Typische kleine Funktionsteile

Mit der aufkommenden und für jedermann erschwinglichen FDM / FFF – 3D-Druck-Technik stellt sich die Frage, ob 3D-gedruckte Teile auch als tragende Bauteile eingesetzt werden können. Insbesondere bei Messe und Event, Membranbauten, für Kunstwerke und Museumsausstattungen gibt es öfters die Erfordernis, kleine besonders geformte lastabtragende  Verbindungsmittel individuell zu erstellen, die am Markt nicht erhältlich sind und auch nur als Einzelstück oder in sehr kleinen Stückzahlen benötigt werden. Die wirkenden Kräfte in solchen Bauteilen sind meist gering. Für Messen und Events sind auch die erforderlichen Bauteillebensdauern auf wenige Wochen beschränkt, so dass Alterungs- und Kriechprozesse der  Kunststoffe weitgehend vernachlässigt werden können.

2018

Prüfkörper aus Formfutura Titan X ABS und Primavalue  PLA

Wir arbeiten seit Januar 2018 an derartigen Anwendungen an einer methodisch abgesicherten, FEM-basierten Bauteilbemessung und haben festgestellt, dass es dazu erst sehr wenig Literatur oder Forschungsergebnisse gibt. Zwar geben namhafte Filamenthersteller wie Ultimaker, Polymaker oder Formfutura für ihre Filamente Zug-festigkeiten an, aber nur für liegend gedruckte Proben, d.h. für die Festigkeiten in Layerebene. Angaben zur Festigkeit senkrecht zur Layerebene fehlen.

 

3D-Druck stehender Prüfkörper, hier ein
weißes PLA/PHA-Filament von ColorFabb
Bekanntermaßen ist die Festigkeit der in FDM-Technologie gedruckten Kunststoffe senkrecht zur Layerebene, in Z-Richtung, deutlich geringer als in der Layerebene. Die 3D-gedruckten Bauteile zeigen also ein ausgeprägt orthotropes Verhalten. In realen Funktionsteilen wird je nach Funktion und Form des Bauteils nicht möglich sein, die Druckrichtung optimal auf die Spannungen auszurichten. Oft sind auch die Spannungen in allen drei Hauptachsen etwa gleich groß. Somit ist klar, dass die maßgebende Kenngröße der Druckmaterialien die Zugfestigkeit in Z-Richtung ist - selbst wenn es gelingt, die Nachweise im FEM-Programm mit individuellen Grenzspannungen für die XY-Richtung und die Z-Richtung zu führen.

Wir haben deshalb bereits für zahlreiche Filamentmaterialien eigene Zugprüfungen mit der Zugspannung parallel und senkrecht zur Layerebene durchgeführt und daraus Grenzspannungen für die FEM-basierte Bauteilbemessung abgeleitet. Dabei haben wir zunächst die Kunststoffe getestet, die keine besonderen Drucker und keine besonders hohen Temperaturen (bis 280°C) erfordern. Hochtemperaturwerkstoffe" wie ULTEM / PEI / PEEK blieben deshalb bisher außen vor, zumal deren großer Vorteil vor allem in der Hitzebeständigkeit liegt. Auch die vielversprechenden metallischen Laser-Schmelz-Verfahen oder Laser-Sinter-Verfahren blieben bisher wegen der (noch) hohen Kosten unberücksichtigt.
 

Einfaches Zugkraftprüfgerät

 

Mit den Werten unserer Zugprüfungen ist es uns möglich, kleine Bauteile als Volumenmodell aus dem STL-File direkt im FEM-Programm zu berechnen, die Grenzspannungen für den verwendeten Drucker und das verwendete Material selbst zu validieren, und das identische Volumenmodell für Testzwecke als 3D-Druck herzustellen.

Bisher haben sich die Kunststoffe als besonders brauchbar erwiesen, die sich gut drucken lassen (gutes Schmelzverhalten, gute Druckbetthaftung, gute Layer-to-Layer-Haftung, kein Verwölben) und ein duktiles Verformungsverhalten vor dem Bruch aufweisen

Die besten Erfahrungen im Sinne der Zugfestigkeiten haben wir bisher mit den folgenden Materialien gemacht:

-        Polymaker PolyMAX (Basis: PLA)(leider eingeschränkt auf Anwendungen bei Raumtemperatur)

-        Polymaker PolyMide (Copolymer PA 6 / PA 6.6 „Nylon“) (innen und außen uneingeschränkt einsetzbar)

     Beide Materialien sind zumindest in Layerrichtung sehr duktil und haben einen relativ geringen Unterschied der Zugfestigkeit parallel zum Layer vs. senkrecht zum Layer.  Dennoch muss einschränkend festgestellt werden, dass auch mit diesen hochwertigen Werkstoffen nach Berücksichtigung der für Kunststoffe üblichen Sicherheitsfaktoren nur eine nutzbare Zugfestigkeit in der Größenordnung der Zugfestigkeit von Holz (5..10 MPa; SLS) erreicht werden kann. Dafür sind aber der Bauteilgeometrie kaum Grenzen gesetzt, und die Fertigung erfolgt am Schreibtisch.

       Prüfkörper als STL-File   
                     
 Ergebnisse unserer Tests ( Filament - Zugfestigkeiten )

Filamenthersteller oder Anwender:  Sie können uns gerne gedruckte Prüfkörper (bitte dazu die oben verlinkte STL-Datei verwenden) zusenden. Wir testen die Prüfkörper und ergänzen die Ergebnistabelle um Ihr Filament. Bitte mindestens 5 Prüfkörper in XY-Ebene (liegend) drucken und mindestens weitere 5 Prüfkörper in Z-Richtung (stehend). Infill: 100%; Schichtdicke: 0,2 mm;   Unterer Layer und oberer Layer je 1 Layer;  eine Randschicht.

 

 

hpl structural verwendet den FELIX Tec 4 Dual Extrusion Drucker u.a. für komplexe Objekte mit Support aus wasserlöslichen Material. Für die Prüfkörper werden einfachere Drucker verwendet.

Mehr Info: www.felixprinters.com

     Eine interessante Alternative ergibt sich allerdings, wenn man die 3D-gedruckten Modelle nicht direkt verwendet, sondern als Form für den Metallguss verwendet. Schon die Verwendung üblicher Aluminiumgußlegierungen würde die ausnutzbare Festigkeit in etwa verzehnfachen. Zudem ist dann auch eine bauaufsichtlich eingeführte Bemessungsnorm vorhanden, der Eurocode 9. Alterungserscheinungen, Umweltexposition und Kriechen würden sofort bedeutungslos. Auch hier arbeiten wir gerade an einer handhabbaren Technologiekette.

Aus unserem Bemessungsmodell ergibt sich nach Einrechnen der erforderlichen Sicherheitsfaktoren für Kunststoffe ein deutlicher Abstand der Gebrauchsspannung zur Bruchspannung. Deshalb spielt das Kriechverhalten der Kunststoffe nur eine geringe Rolle, sofern die .Umgebungstemperaturen nicht die Erweichungstemperatur des Kunststoffes erreichen. Zum Absichern dieser These laufen derzeit Belastungsversuche über einsatztypische Zeiten für Messe und Event von einem bis bis zu drei Monaten.

 
     
     

 

2018

  

  


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