Festigkeit von FDM-3D-Druckteilen

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1 Festigkeit von FDM-3D-Druckteilen Häufig werden bei 3D-Druck-Filamenten die Kunststoff-Festigkeit und physikalischen Eigenschaften diskutiert ohne die Einflüsse der Geometrie und der Verschweißung der Lagen und Fäden zu beachten, wie sie bei der FFF/FDM-Technik entstehen. FFF = Fused Filament Fabrication FDM = Fused Deposition Modeling Bei näherer Betrachtung stellt sich heraus, dass die Materialwerte einen kleineren Einfluss auf die Festigkeit des Druckkörpers haben im Vergleich zu den verschiedenen FFF-Druck- Parametern wie z.b. Schichthöhe. Grundlagen beim FFF/FDM-Druck Da beim FDM-Druck ein runder Kunststoff-Faden abgelegt in Schichten das Druckteil erzeugt, ist von vorn herein klar, dass ein solcher Körper nie die Festigkeiten eines massiven Spritzgußkörpers erreichen kann. Die einzelnen Fäden treten mit einem runden Querschnitt aus der Düse aus und werden im Allgemeinen in flachen Ovalen abgelegt, die sich gegenseitig und auch die darunterliegenden Schichten in gewissen Bereichen berühren. Theoretisch sieht das so aus mit 4 Schichten, die im Querschnitt dargestellt sind. Hier wird schon klar, dass die Festigkeit in Druckrichtung nach oben deutlich geringer ist als quer dazu. Druckteile werden leichter zwischen den Lagen (Bindenaht) reißen als quer dazu. 3D-Druckanleitung multec GmbH 2015 Seite 1

2 Quer dazu kann man die einzelnen Fäden in ihrer Längsrichtung als annähernd vollmassiv betrachten, wo auch dem Infill und dessen Richtung ein wichtiges Festigkeitselement zufällt. Das ist ein wichtiger Punkt für die Konstruktion und die Druckrichtung von FDM-Druckteilen. Man sollte die Hauptkraftrichtung möglichst nicht in Schichtebenen legen. Das Verhältnis Höhe(=Lagenhöhe) zu Fadenbreite (Druckparameter Width=Weite) sollte auf jeden Fall größer 1:1 bis 1:1,8 sein. Je breiter die Faden abgelegt werden, umso mehr verschweißte Fläche ist vorhanden zwischen den Lagen. Es ist also ersichtlich, dass die Verbindungen zwischen Schichten und auch innerhalb der Schicht zwischen den Fäden Lücken aufweist. Dazu kommt, dass das Verschweißen der neu aufgetragenen Fäden mit den vorigen Lagen nur in einem begrenzten Wärme-Einflussbereich erfolgen kann. Nur so weit, wie die Wärme des momentanen Filament-Auftrags auch in die unteren Schichten eindringt, wird dort das Material eine gute Verschweißung mit den vorigen Fäden bilden. Also ist klar: je mehr heißes Material aufgetragen wird, desto mehr Wärme wird zum Verschweißen zur Verfügung stehen. Auch wenn der Füllgrad der Teile relativ hoch gewählt wird, bleibt das Problem bestehen: es bleiben Lücken und es wird nur so gut verschweißt, wie auch der Wärmeeintrag noch in die vorigen Schichten eindringt. In Zusammenarbeit mit Hochschulen und mit langjähriger Druckerfahrung bei Multec können folgende Parameter für beste Bindenahtfestigkeit gefunden werden: Erstens die Fadenbreite im Verhältnis zur Schichthöhe, also das Verhältnis der Breite zur Höhe des abgelegten Fadens. Hier wird schon aus der reinen Anschauung klar: je breiter das Oval im Verhältnis zur Höhe, umso größer die verschweißte Fläche. Man sollte daher bei festigkeitsoptimierten Teilen auf eine möglichst große Breite im Verhältnis zur Schichthöhe wählen. Dieser Parameter lässt sich in Simplify3d unter Extruder in der Breite einstellen. Als Zahlenbeispiel sei hier bei den Perimetern (den außen abgelegten, umlaufenden Fäden) ein Verhältnis von 1,8 von Breite zu Höhe dargestellt. Damit hat der Faden bei einer Schichthöhe von 0,4mm eine Breite von 0,72mm. Weil aber ein Oval aufgetragen wird, ist die tatsächliche verschweißte Breite nochmal kleiner, dies zeigt die folgende Skizze. 3D-Druckanleitung multec GmbH 2015 Seite 2

3 Bei dem Rechenbeispiel wird auch der Einfluss der Schichthöhe deutlich: je kleiner die Schichthöhe umso kleiner auch die verbundene Fläche. Je größer die Schichthöhe umso größer der Lagenverbund, dies gilt aber auch aus einem zweiten Grund: Je größer die Schichthöhe umso größer ist die eingebrachte Wärme. Wenn mehr heißes Material eingebracht wird, wird gleichzeitig mehr Energie eingebracht, die die Verschweißungstiefe der Lagen verbessert. 3D-Druckanleitung multec GmbH 2015 Seite 3

4 Dazu auch eine Skizze für ein Teil mit einer 45 -Schrägung, das zeigt, dass hier die Schweißnähte noch weniger Fläche haben: Makro-Aufnahmen der Bindenaht aus einem Bindenaht- Festigkeitsversuch Hier zur Anschauung noch ein paar Makroaufnahmen nach einer Zerreißprobe. 3D-Druckanleitung multec GmbH 2015 Seite 4

5 Deutlich ist hier sichtbar, dass sowohl die Lagen miteinander als auch die Fäden seitlich miteinander nur eine begrenzt verschweißte Fläche haben. Die Fotos stellen eine Lagenhöhe von 0,4mm mit Lagenbreite 0,72mm dar. Fazit für Lagenhöhe und Fadenbreite Je dicker die Schichten, desto höher und besser ist die Verschweißung zwischen den Lagen und je breiter die Fadenbreite im Verhältnis zur Höhe um so länger die Schweißnaht zwischen den Lagen. In einem weiteren Fachbeitrag werden wir den Einfluss von Füllungen, der zwei- und dreidimensionaler Ausrichtung und deren Optimierung darstellen. Für Interessierte: Multec bietet auch zu diesen Themen intensive Schulungen an, nehmen Sie einfach Kontakt mit uns auf: 3D-Druckanleitung multec GmbH 2015 Seite 5