3D-Druck ist in der Lage, starke Teile aus Polymer und Metall herzustellen. Bestimmte Einsatzbereiche von 3D-gedruckten Teilen können jedoch eine viel höhere Festigkeit erfordern. Design und Materialauswahl sind die wichtigsten Faktoren, welche die Festigkeit eines 3D-gedruckten Teils bestimmen. Aber selbst ein gut konstruiertes Teil kann Schwächen aufweisen und im Einsatz versagen, wenn andere einfache und wichtige Maßnahmen zur Verbesserung der Festigkeit ignoriert werden.

Es gibt verschiedene Methoden zur Verstärkung von 3D-Drucken. Diese können in drei große Kategorien eingeteilt werden: Teilegeometrie, Druckeinstellungen und Nachbearbeitung.

Teilegeometrie

Die Geometrie des Teils spielt eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Festigkeit eines 3D-Drucks. Die Verwendung von Verrundungen und Fasen erhöht die mechanische Festigkeit der Kanten, während Zwickel und Rippen für strukturelle Unterstützung sorgen.

• Verwenden Sie Verrundungen oder Fasen: Fillets or chamfers provide a strong foundation for thinner sections in 3D parts. They prevent the nozzles from knocking off delicate parts from the print.
• Verwenden Sie Rippen und Zwickel: Rippen und Zwickel sind dünne Extrusionen, die senkrecht aus einer Wand oder einer Ebene herausragen. Sie bieten Halt und erhöhen die Festigkeit des Teils. Die Stärke der Rippen sollte die Hälfte der Wandstärke betragen und in einem Mindestabstand von der doppelten Wandstärke angeordnet sein. Große und hohe Rippen sollten vermieden werden; stattdessen sollte man mehrere kleine Rippen verwenden.

3D-Druck Einstellungen

Optimale Einstellungen für den 3D-Druckprozess sind erforderlich, um stabilere Teile zu produzieren. Zu diesen Einstellungen gehören die folgenden.

Füllung im 3D-Druck

Füllung bezieht sich einfach auf die Menge des Materials innerhalb der Außenwände des 3D-Teils. Diese Methode wird häufig beim FDM-3D-Druck verwendet, um die Festigkeit zu erhöhen. Die Einstellung der Füllung erfolgt auf zwei Arten, dem Füllmuster und der Fülldichte.

Füllmuster

Dies ist eine sich wiederholende Struktur, welche den Raum innerhalb eines 3D-gedruckten Teils ausfüllt. Sie ist normalerweise nicht zu sehen. Es gibt zahlreiche Arten von Füllmustern. Dazu gehören dreieckige Muster, Archi, rechteckige, wabenförmige oder sechseckige und konzentrische. Das Archi-Füllmuster eignet sich am besten für kreisförmige oder runde Teile. Das rechteckige Füllmuster ist aufgrund seines parallelen und senkrechten Gitters in der Lage, ein 100% dichtes Teil zu erzeugen. Das sechseckige Füllmuster bietet das beste Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht, benötigt aber die längste Druckzeit.

Fülldichte

Bei einer 0%igen Füllung gibt es keine Füllung, und eine 100%ige Füllung ergibt ein völlig solides Teil. Die 100%ige Füllung ergibt das stärkste Teil. In vielen Fällen handelt es sich jedoch um eine unnötige Verwendung von Material, wodurch sich Gewicht und Kosten erhöhen. Das Wabenmuster eignet sich am besten für einen Füllungsgrad von weniger als 50%, während das geradlinige Muster am besten für einen Füllungsgrad von über 50% geeignet ist. Übliche Füllungsdichten liegen zwischen 20% und 25%.

Ausrichtung des Teils

3D-gedruckte Teile sind am stärksten in den Ebenen, die parallel zum Baugehäuse verlaufen, weil die molekulare Bindung in einer Schicht viel stärker ist als die Klebeverbindungen zwischen den Schichten. Dies sind die X- und Y-Ebenen. Obwohl diese Technik für den FDM-3D-Druck üblich ist, kann sie auch bei anderen Verfahren wie SLA und SLS eingesetzt werden, um die Festigkeit zu verbessern. Die Ausrichtung des Teils hängt davon ab, wo die Belastung und der Druck auf das Teil einwirken.

Gehäusestärke

Das spielt eine wichtige Rolle bei der Verstärkung von 3D-Teilen. Ein stärkeres Gehäuse macht ein Teil stabiler. Beim FDM-Druck ist eine Gehäusestärke, die das 3- bis 4-fache des Düsendurchmessers beträgt, am besten für Teile geeignet, die einer starken und anhaltenden Belastung ausgesetzt sind. Die meisten 3D-Druckverfahren verwenden standardmäßig eine Mindeststärke von etwa 1 mm. Eine Erhöhung dieser Stärke verbessert jedoch die Zug- und Schlagfestigkeit. Detaillierte Informationen zu den empfohlenen Dicken für andere 3D-Druckverfahren finden Sie in unseren Designleitfäden.

Nachbearbeitung

Um die Festigkeit der gedruckten Teile weiter zu erhöhen, können Sie auch eine Nachbearbeitung in Betracht ziehen. Die folgenden Nachbearbeitungsschritte können die Festigkeit von 3D-gedruckten Teilen deutlich erhöhen.

Tempern

Das Tempern ist einfach ein Verfahren, bei dem ein 3D-gedrucktes Teil erhitzt und dann allmählich abgekühlt wird, um die inneren Spannungen abzubauen, was zu einem widerstandsfähigeren Teil führt. Während Metalle und Glas getempert werden können, können nicht alle Polymere getempert werden. Einige Materialien, die sich zum Tempern eignen, sind PLA, PET, und PA 12.

Galvanisieren

Die Galvanisierung ist ein Nachbearbeitungsverfahren, bei dem das Teil in eine Lösung aus Wasser und Metallsalzen getaucht wird. Wenn Strom durch die Lösung fließt, bilden die Metallkationen eine dünne Schicht um das Teil. Diese Technik kann auf 3D-Teile aus FDM-, SLS-, SLA- oder SCM-Druckern angewendet werden. Sie verleiht dem Teil nahezu identische mechanische Eigenschaften wie Metallteile und ist daher für verschiedene Anwendungen eine weitaus kostengünstigere Alternative zum 3D-Druck aus Metall.

Galvanisierte Teile sind jedoch im Inneren immer noch aus Kunststoff. Wenn sie also auf eine höhere Temperatur als die Erweichungstemperatur des inneren Kunststoffs erhitzt werden, geht die innere Festigkeit verloren, auch wenn das äußere Metall nicht schmilzt. Für die Galvanisierung können verschiedene Metalle verwendet werden, z.B. Zink, Chrom, Nickel, Kupfer usw. Vor der Galvanisierung ist es wichtig, das 3D-Teil zu grundieren, um eine leitfähige Oberfläche zu schaffen, auf der das Metall haften kann. Für die Grundierung wird in der Regel Graphit verwendet.

Harzbeschichtung

Epoxidharze oder Polyesterharze können für die Beschichtung von 3D-gedruckten Teilen verwendet werden. Die Epoxidbeschichtung ist eine unlösliche Oberflächenbeschichtung, die mit Epoxidfarbe erfolgt. Die Farbe enthält zwei Chemikalien: ein Epoxidharz und einen Härter. Die resultierende Beschichtung ist in der Regel haltbarer und widerstandsfähiger als unbeschichtete Teile. Die Epoxidharzbeschichtung ist jedoch nicht geeignet, wenn extreme geometrische Genauigkeit und scharfe Kanten für das Teil erforderlich sind. Polyesterharze hingegen sind dünn und können auf komplizierte Teile aufgetragen werden. Das Harz beginnt bereits 5 Minuten nach dem Auftragen zu härten und benötigt normalerweise 24 Stunden, um vollständig zu trocknen. Die Harzbeschichtung kann auf jedes Teil eines jeden Druckers aufgetragen werden.

Verstärkung aus Kohlefaser

Kohlenstoff- oder Glasfasern können auch zur Verstärkung von 3D-Teilen verwendet werden. Kohlefasern haben ein ausgezeichnetes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eignen sich am besten für Teile, die einer ständigen Belastung ausgesetzt sind. Im Gegensatz zu Kohlenstoff biegen sich Glasfasern bis zum Versagen. Die Fasern können auf zwei Arten laminiert werden:

• Kurze Faserverstärkung: Bei dieser Methode werden die Fasern zerkleinert und mit dem thermoplastischen Kunststoff vermischt, um die Festigkeit und Steifigkeit zu erhöhen.
• Kontinuierliche Faserverstärkung: Bei dieser Methode müssen die Fasern kontinuierlich in das Thermoplast integriert werden, während es extrudiert und aufgetragen wird. Diese Methode erfordert zwei Düsen zum gleichzeitigen Drucken.

Fazit

Bei Xometry Europe bieten wir verschiedene Verstärkungsoptionen für 3D-gedruckte Teile an, die von unseren Kunden gewünscht werden. Besuchen Sie einfach unsere Plattform für Sofort-Angebote, laden Sie Ihre Modelle hoch, wählen Sie Ihre Einstellungen und schon erhalten Sie Ihr hochfestes 3D-gedrucktes Teil in nur wenigen Tagen.

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