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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 Bühnenbild, Messen und Events sind auch die erforderlichen Bauteillebensdauern auf wenige Wochen bis Monate beschränkt, so dass Alterungs- und Kriechprozesse der  Kunststoffe weitgehend vernachlässigt werden können.

2019

Prüfkörper aus Formfutura Titan X ABS und Primavalue  PLA

hpl structural arbeitet seit Januar 2018 an derartigen Anwendungen an einer methodisch abgesicherten, FEM-basierten Bauteilbemessung. Wir haben dabei festgestellt, dass es dazu erst sehr wenig Literatur oder Forschungsergebnisse gibt. Zwar geben namhafte Filamenthersteller wie Ultimaker, Polymaker oder Formfutura für ihre Filamente Zugfestigkeiten an, aber nur für liegend gedruckte Proben, d.h. für die Festigkeiten in Layerebene. Angaben zur Festigkeit senkrecht zur Layerebene fehlen. Lediglich Stratasys gibt für seine Materialien die Werte in XY- und in Z-Richtung an.

 

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 PEKK und 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. ULTEM 1010 testen wir gerade, ohne große Hoffnung auf erfolgreiche Verbreitung dieses Materials im FFF-Druck. Dafür druckt es sich zu schwierig, wölbt sich zu stark, und die Festigkeiten sind nur durchschnittlich.
 

Zugkraftprüfgerät für kleine Prüfkörper; bis 2kN


Zweites Messgerät für bis zu 20 kN Prüfkraft

 

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, geringes 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)(als PLA 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. Interessanterweise war gute Druckbarkeit immer auch ein Anzeiger für gute Layer-to-Layer-Haftung und damit für gute Z-Festigkeiten.

     Aber auch die faserverstärkten Werkstoffe haben uns mit ihren hohen Steifigkeiten und hohen Festigkeiten in XY -Richtung beeindruckt:

      -  3DXTech CarbonX Nylon (carbonfaserverstärkes Nylon)

       -   Owens Corning/XStrand GF30PA6 (glasfaserverstärktes Nylon)

     -    fiberthree F3 PA CF pro (carbonfaserverstärktes Nylon) - mit sehr guten Z-Festigkeiten

     Die faserverstärkten Polyamide haben nicht nur erstaunlich hohe Zugfestigkeiten in XY-Richtung, sie drucken sich auch extrem wölbarm selbst bei 100% Infill und eigen sich so für hoch biegebeanspruchte plattenförmige Bauteile. 

     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 in Faserrichtung (5..16 MPa; SLS) erreicht werden kann. Dafür sind aber der Bauteilgeometrie kaum Grenzen gesetzt, und die Fertigung erfolgt am Schreibtisch.

       Kleiner 20mm²-Prüfkörper als STL-File   
                     
 Ergebnisse unserer Tests  an 20mm²-Kleinprüfkörpern ( 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% auf +-45° gelegt; Schichtdicke: 0,2 mm;   Unterer Layer und oberer Layer je 1 Layer;  eine Randschicht außen. Nozzle-Durchmesser 0,4 mm.

 

 


     Eine interessante Alternative zum Kunststoff ergibt sich, 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.

 

 

hpl structural verwendet die folgenden Drucker, um Prüfkörper und Testmodell zu erzeugen:

- Malyan M200 / Pimacreator P120 mit BuildTak Druckbett für PLA und PETG
- FelixTec4 Dual Extruder (siehe www.felixprinters.com) mit BuildTak Druckbett für PLA, PETG, gutmütiges PA und Drucke mit gesondertem Stützmaterial
- Anycubic i3 Mega mit Micro-Swiss verschleißfesten Nozzles und Ahltec Carbonfaser-Druckbett für faserverstärktes PA
- Anycubic i3 Mega mit Zortrax M200 Perforated Plate als Druckbett für besonders wölbfreudige Filamente
- Anycubic Chiron für große Anschauungsmodelle aus PLA

- CreatBot F160 (PEEK Version) mit Spezialdruckbett von clever3d.de, (fallweise auch GFK+Polysmooth siehe unten) und Bauraumheizung für Hochtemperaturwerkstoffe
 

Ultem 1010 Prüfkörper auf dem mit Polysmooth vorgedrucktem perforiertem GFK-Druckbett
Nebenbei der Tipp für 3D-Druck-Masochisten - wie wir ULTEM (PEI) drucken:

ULTEM haftet praktisch an  keiner üblichen Druckbettoberfläche. ULTEM haftet noch nicht mal an PEI-beschichteten Platten, obwohl es auch PEI ist.  Hier ein möglicher Weg:  Bei
www.digikey.com eine perforierte GFK-Platte bestellen vom Typ Twin Industries 7100-1010. Die Platten sind 254 mmx 254 mm x 1,76 mm groß und können auf das benötigte Maß des Druckbettes des Druckers zugesägt werden.  Die Platten werden mit Sandpapier leicht angeschliffen und mit Spiritus gesäubert. Danach werden sie als Druckbett eingebaut, nivelliert und großflächig mit einem Layer (z.B. 0,2 mm) Polymaker "Polysmooth" als Binderlayer bedruckt. Möglichst im Slicer den Extrusion Multiplier größer 1 (1,25..1,5) wählen, damit das Überschussmaterial in die Bohrungen der perforierten Platte eindringen kann. Nur durch diesen Formschluss hält der Binderlayer sicher. Danach die Platte neu nivellieren und mit ULTEM losdrucken. ULTEM hält auf Anhieb an Polysmooth selbst bei moderaten Bett-temperaturen um die 70..90°C. Ein Brim ist natürlich trotzdem anzuraten. Das Abtrennen nach dem Erkalten   funktioniert mit einem starken Messer. Nach ein paar Drucken ist die Polysmooth-Schicht allerdings hinüber und kann dann mit Alkohol (Brennspiritus) vom GFK komplett abgewaschen werden. Das ULTEM 1010 von 3DXtech drucken wir so mit 375°C Nozzle und 90° Bett im CreatBotF160, dessen Bauteillüfter wie so ausgerichtet haben, dass er den Extrudermotor statt des Bauteils kühlt. Funktioniert sehr gut zumindest für unseren kleinen Prüfkörper.
 

 

2019

  

  


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