Identifikation und Evaluierung von Materialien als Druckbettoberflächen in 3D-Druckern


Bachelorarbeit, 2015

100 Seiten, Note: 1,3


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Motivation für die Auseinandersetzung mit der 3D-Druck Technologie
1.2 Zielsetzung und Vorgehen

2 Stand der Technik
2.1 Einordnung des 3D-Druckes in das Rapid Prototyping
2.2 Funktionsbeschreibung eines 3D-Druckers
2.3 Werkstoffeigenschaften der Filamentmaterialien
2.4 Problematiken und Schwachstellen des 3D-Druckes
2.5 Übersicht über den Stand der Druckbettenentwicklung

3 Analyse von bestehenden Druckbettmaterialkonfigurationen
3.1 Schaffung einer Arbeitsgrundlage durch Bau eines 3D-Druckers
3.1.1 Auswahlverfahren eines 3D-Druckers zu Testzwecken
3.1.2 Aufbauvorgang des 3D-Druckers
3.1.3 Inbetriebnahme und Konfiguration des 3D Druckers
3.2 Ausschalten des Störfaktors schwankender Umgebungstemperatur
3.3 Präzisierung des Druckbett-Leveling Verfahrens
3.4 Testserie zu gängigen Materialvarianten der Druckplatte
3.4.1 Entwicklung des Testverfahrens
3.4.2 Durchführung

4 Erarbeitung einer geeigneten Druckbettmaterialkonfiguration
4.1 Auswertung der Testserie
4.2 Testreihe zu weiterführenden Druckbettmaterialien
4.3 Testreihe mit Referenzdruckern
4.4 Anforderungen an ein geeignetes Druckbettmaterial

5 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Anhang

Danksagung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abstract

Auf Grund der aktuell schnell wachsenden Bedeutung der 3D-Druck Technologie, nicht nur in Wirtschaftsunternehmen, sondern zunehmend auch im Bereich der Privatanwendung, ist ein Massenmarkt für 3D-Drucker in der Entwicklung. Allerdings ist das 3D-Druckverfahren noch relativ jung und dementsprechend besteht eine Menge an Potentialen, um dieses Verfahren im Hinblick auf Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Unter anderem zählt das Druckbett zu einem der Hardwarekomponenten, die ein großes Professionalisierungspotential bieten. Deswegen befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Identifikation und Evaluierung von Materialien als Druckbettoberflächen. Zu diesem Zwecke wird eine Testanordnung mit allen dazugehörigen Apparaturen entwickelt und anschließend eine Auswahl an Druckbettmaterialien getestet. Der Aufbau dieser Arbeit gliedert sich in drei Abschnitte.

Im ersten Teil wird zum einen auf die Grundlagen der 3D-Druck Technologie eingegangen. In diesem Zusammenhang wird die Entwicklung aus dem breiten Feld des Rapid-Prototyping dargestellt. Zum anderen wird auf Schwachstellen der gegenwärtig auf dem Markt erhältlichen 3D-Drucker eingegangen. Von diesem Punkt aus leitet sich die Bedeutung der Druckbettproblematik ab.

Der zweite Abschnitt beschreibt die Erarbeitung einer geeigneten Testanordnung. Zudem wird auf den Aufbau des hierfür notwendigen 3D-Druckers, des Zugversuch-Prüfstandes sowie weiterer Teilkomponenten eingegangen. Abschließend wird die Durchführung der Testserie mit allen damit verbundenen Schwierigkeiten dargestellt.

Im dritten Teil folgt die Auswertung der im vorherigen Abschnitt gewonnenen Testergebnisse. Ausgehend davon findet eine Bewertung der getesteten Druckbettmaterialien statt. Zusätzlich werden auf Grundlage der bis dahin gewonnenen Erkenntnisse weitere vielversprechende Materialien vorgeschlagen und ebenfalls der Testprozedur unterzogen.

1 Einleitung

Die vorliegende Bachelorarbeit behandelt das Oberthema des 3D-Druckverfahrens. Diese junge, zukunftsweisende Technologie bietet im Hinblick auf Benutzerfreundlichkeit noch großes Verbesserungspotential, wie zum Beispiel bei der Haftung zwischen gedrucktem Objekt und Bauplattform. Als konkretes wissenschaftlich zu bearbeitendes Problemfeld geht es deswegen um die Haftungsthematik von Druckbetten.

1.1 Motivation für die Auseinandersetzung mit der 3D-Druck Technologie

Der 3D-Druck fällt unter den übergeordneten Sammelbegriff des Rapid-Prototypings. Es beschreibt ein additives Verfahren zur Generierung dreidimensionaler Modelle und funktioniert mittels Schmelzschichtung. Auf Grundlage eines am Computer erstellten Volumenmodells kann ein realer Ausdruck dessen erstellt werden. Unter gestalterischen Gesichtspunkten bietet dieses additive Fertigungsverfahren einen immensen Spielraum in Bezug auf Geometrie und Form der zu erzeugenden Objekte. CAD-Kenntnisse reichen somit aus, sich ganz auf persönliche Anforderungen zugeschnittene Objekte auszudrucken.

3D-Druck ist eine neuartige Technologie, die über lange Zeit professionell arbeitenden Firmen vorbehalten geblieben ist, nun aber zunehmend auch bei Privatanwendern zur Verwirklichung ihrer kreativen Ideen Einsatz findet. Laut Expertenmeinungen sei der 3D-Druck ausgesprochen zukunftsträchtig und ihm wird sogar das Potential einer industriellen Revolution in Aussicht gestellt. Aufgrund solch enthusiastischer Prognosen entwickelt sich seit einigen Jahren ein regelrechter Massenmarkt rund um den 3D-Druck. Hersteller arbeiten auf Hochtouren an überarbeiteten Versionen ihrer Drucker. Die Entstehung einer OpenSource-3D-Druck-Szene, sowie die Etablierung der RepRapInitiative sorgen zusätzlich für eine kontinuierliche Professionalisierung des 3D-Druck-Ökosystems. Deutlich wird an solchen Entwicklungen jedoch auch, dass noch große Verbesserungspotentiale insbesondere auf dem Gebiet der Benutzerfreundlichkeit bestehen.

1.2 Zielsetzung und Vorgehen

Für das 3D-Druckverfahren ist unter anderem die teilweise schwierige Ablösbarkeit von ausgedruckten Objekten vom Druckbett ein zu lösendes Problem. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wird sich dieser Haftungsschwierigkeit zwischen Druckobjekt und Druckbett gewidmet.

Zu diesem Zweck findet zunächst in Kapitel 2 „Stand der Technik“ eine Einordnung des 3D- Druckverfahrens in das Rapid-Prototyping und eine Funktionsbeschreibung statt, um ein tieferes Verständnis für die Abläufe eines additiven Fertigungsverfahrens zu bekommen. Anschließend werden aktuell bestehende Problemfelder bei der Anwendung vom 3D-Drucker benannt und erläutert. Unter anderem wird dabei auf die Haftungsproblematik eingegangen und ein Überblick der aktuell geläufigen Druckbettmaterialien verschafft. Daran schließt sich in Kapitel 3 „Analyse von bestehenden Druckbettmaterialkonfigurationen“ die Ausarbeitung einer geeigneten Testprozedur an. Im nächsten Schritt wird die Konstruktions- und Aufbauprozedur des 3D-Testdruckers, sowie weiterer notwendiger Testkomponenten geschildert. Im Rahmen von Vorversuchen werden messergebnisverfälschende Einflussfaktoren ausfindig gemacht und Maßnahmen zur Ausschaltung derer ergriffen. Das Kapitel schließt mit der Durchführung der Testserie ab.

Die in Kapitel 3 gewonnenen Messwerte bzw. Erkenntnisse dienen als Grundlage für die in Kapitel 4 „Erarbeitung einer geeigneten Druckbettmaterialkonfiguration“ folgende Auswertung der Tests. Die ausgewerteten Daten bilden die Entscheidungsgrundlage für weiterführende Tests neuartiger Druckbettmaterialien. Sie werden ebenfalls der Testprozedur unterzogen. Auf Grundlage der Ergebnisse werden diese Materialien bewertet und Anforderungen an ein ideales Druckbett schlussgefolgert. Im letzten Kapitel werden dann die Erkenntnisse nochmals gebündelt zusammengefasst und ein Ausblick auf die weitere Entwicklung im Bereich 3D-Druck gegeben.

2 Stand der Technik

Dieses Kapitel liefert zunächst eine Einordnung der 3D-Drucktechnologie in das Rapid Prototyping

(RP) und anschließend beleuchtet es die Funktionsweise eines 3D-Druckers. Nachdem dieser allgemeine Einstieg in die Thematik erfolgt ist, folgen weitere zum Verständnis der Aufgabenstellung dienende Teilkapitel. Es wird sich mit den Werkstoffeigenschaften des vom 3D-Drucker verwendeten Verbrauchsmaterials beschäftigt und ein erster Überblick zu dem Entwicklungsstand von Druckbettmaterialien gegeben. Zusätzlich wird die Relevanz der Aufgabenstellung unterstützt, indem auf Problematiken und Schwachstellen beim gegenwärtigen 3D-Druckverfahren eingegangen wird. Insgesamt ist damit die notwendige Wissensgrundlage zum Verständnis der nachfolgenden wissenschaftlichen Ausführungen zum Thema Druckbettmaterialien geschaffen.

2.1 Einordnung des 3D-Druckes in das Rapid Prototyping

Rapid Prototyping ist ein Verfahren zur Bauteilgenerierung durch Umwandlung von Geometriedaten in ein Körpermodell. Gegenüber konventionellen, beispielsweise spanenden Fertigungsverfahren, läuft das RP additiv ab. Auf Grundlage von CAD-Datensätzen wird das Werkstück schichtweise aufgebaut. Der Einsatz von, während des Fertigungsprozesseses auszutauschenden Formen und Werkzeugen, entfällt. Demnach lassen sich Bauteile nahezu beliebigen Komplexitätsgrades fertigen, sodass auch Bauteilhinterschneidungen realisierbar sind. Der Verein Deutscher Ingenieure liefert in seiner Richtlinie 3404 folgende Definition für das RP: „Additve Herstellung von Bauteilen mit eingeschränkter Funktionalität, bei denen jedoch spezifische Merkmale ausreichend gut ausgeprägt sind.“ [VDI14]. Das Material könne Serienmaterial sein und die Konstruktion fertigungsgerecht im Sinne der Serienfertigung sein.

Als Grundlage muss ein dreidimensionales CAD-Modell vorliegen. Im Anschluss wird dieses mit entsprechender Software in ein zweidimensionales Schichtmodell konvertiert. Im nächsten Schritt wird das Schichtmodell in maschinenspezifischem Format von der RP-Anlage schichtweise gefertigt, bis schließlich das ursprüngliche CAD-Modell in physischer Form vorliegt. Abbildung 2.1 veranschaulicht diese Prozedur zusätzlich grafisch.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Schnittstellen zwischen CAD-Modellen und RP-Prozessen [GEU96, S.46]

Das RP ermöglicht es, einmalig oder in Kleinserien zu erzeugendende Objekte kostengünstig, schnell und präzise zu fertigen. Deswegen stellt diese Technologie ein wichtiges Hilfsmittel für die Produktentwicklung dar und findet in sämtlichen Stadien zwischen Produktidee und Markteinführung Verwendung, wie in Abbildung 2.2 zu sehen ist.

Abbildung 2.2: Prototypenbedarf in einzelnen Produktentwicklungsphasen [KOE97, S.232]

Angesichts des ständig steigenden Innovationsdruckes ist eine effektive und effiziente Produktentwicklung unerlässlich. RP trägt in diesem Zusammenhang dazu bei, dass Konstruktionsentwürfe bereits im Entwicklungsstadium real in Augenschein genommen werden können. Somit lassen diese sich frühzeitig auf Ergonomie, Montierbarkeit, Funktionalität oder auch Belastbarkeit prüfen. Auch Produktgeometrien, -layouts sowie haptische Anforderungen können so einfach kontrolliert werden. Der Einsatz des RP ermöglicht dadurch eine hohe Ausreifung des Produktes bei Markteintritt. Zusätzlich werden die Produktentwicklungszeit und -kosten gesenkt, weil RP deutlich geringeren Fertigungsaufwand mit sich bringt als konventionelle Verfahren [KOE97, GIB15].

Auch über das Spektrum der Produktentwicklung hinaus findet die additive Objektgenerierung ihren Einsatz. Rapid Manufacturing bezeichnet die werkzeuglose Herstellung von Endprodukten. Besondere Bedeutung kommt diesem Verfahren in Branchen zu, bei denen höchst individuelle Kundenlösungen erforderlich sind, wie es in der Medizintechnik beispielsweise der Fall ist. Außerdem wird die generative Fertigungstechnik im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt, das sogenannte Rapid Tooling [GEU96].

Im Rahmen des RP Verfahrens existieren verschiedene technologische Prinzipien. Stereolithographie, Selective Laser Sintering, Laminated Object Manufacturing, Solid Ground Curing, Fused Deposition Modelling, Three Dimensional Printing sind die am häufigsten industriell angewandten RP Varianten (siehe Abbildung 2.3). Diese unterscheiden sich in der Art des verwendeten Werkstoffmaterials, der Erscheinungsform des Materials sowie der Verarbeitungsform. [IKT14,MUE02, EDU14, HIG14]

Abbildung 2.3: Rapid-Prototyping Verfahrenscharakteristika [IKT14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Stereolithografie

Die Stereolithografie kurz STL beschreibt das schichtweise Aushärten von flüssigen Photopolymeren und Epoxiden durch UV-Laser. Es liegt ein im Harzbad absenkbare Bauplattform vor. Auf dieser Platte werden durch einen Laser die jeweils zur Bauteilgeometrie passenden Harzflächen ausgehärtet [IKT14, MUE02]. Im Anschluss wird die Plattform um eine Schichtdicke ins Harzbett abgesenkt und der gezielte Aushärtungsprozess beginnt erneut. Die auf diese Weise hergestellten Bauteile haben allerdings nur eine geringe Belastbarkeit, deswegen dienen sie vorwiegend als Geometrieprototypen oder Urmodelle [EDU14, HIG14].

Solid Ground Curing

Das Solid Ground Curing kurz SGC basiert ebenfalls auf dem Prinzip der Photopolymerisation. Allerdings wird anders als bei der STL die schichtrelevante Bauteilkontur über eine Maske mit einer UV-Lampe belichtet. Um sicherzustellen, dass die darauffolgenden Schichten haften können, wird die gesamte Schicht um eine bestimmte Tiefe abgefräst [IKT14,MUE02, EDU14, HIG14].

Selective Laser Sintering

Das Selective Laser Sintering kurz SLS beschreibt ein lasergesteuertes, lokales Aufschmelzen von pulverförmigem Material. Das Pulver wird mithilfe eines Rakels schichtweise auf der Bauplattform aufgetragen. Der Laser schmilzt die bauteilgeometriegebenden Flächen auf [EDU14, HIG14]. Anschließend härten diese Flächen aus und eine weitere Pulverschicht kann aufgetragen werden. Mithilfe dieses Verfahrens können Funktionsbauteile aus verschiedensten Legierungen oder auch Keramiken hergestellt werden [IKT14, MUE02].

Three Dimensional Printing

Das Three Dimensional Printing kurz 3DP ist vom grundlegenden Funktionsablauf mit dem SLS vergleichbar. Jedoch wird das per Rakel flächig verteilte Pulver nicht mit einem Laser verknüpft, sondern durch gezieltes Auftragen eines flüssigen Binders entlang der Bauteilkontur [MUE02, EDU14]. Als Baumaterialien lassen sich Stärke oder Gips-Keramiken verwenden, um beispielsweise Konzeptmodelle oder Anschauungsobjekte zu generieren [IKT14, HIG14].

Laminated Object Modeling

Das Laminated Object Modeling kurz LOM ist ein schichtweiser Aufbau durch Verkleben des Materials. Das zu generierende Objekt entsteht auf der Bauplattform. Dem folienförmigen Material wird durch einen Laser die Bauteilkontur verliehen [IKT14, HIG14]. Die einzelnen Folienschichten werden mittels einer Laminat Rolle sukzessive zu einem Stapel zusammengefügt und verklebt. Es können Papier, Kunststoffe und Keramiken in Folienform als Baumaterial verwendet werden [MUE02, EDU14].

Fused Deposition Modeling

Das Fused Deposition Modeling kurz FDM beschreibt das schichtweise Auftragen von aufgeschmolzenem Material. Mithilfe einer aufheizbaren Düse wird im Festzustand vorliegendes, drahtförmiges Baumaterial geschmolzen und gezielt auf die bauteilrelevanten Flächen aufgetragen. Kunststoff- oder Wachsmaterialien werden als Baumaterial benutzt. Die Maschinenklasse der 3D- Drucker basiert konzeptionell auf dem beschriebenen Verfahren des FDM. Im folgenden Unterkapitel wird dieses additive Druckverfahren detailliert erläutert.

2.2 Funktionsbeschreibung eines 3D-Druckers

Im Jahre 1990 wurde das FDM von der amerikanischen Firma Stratasys entwickelt und kommerzialisiert. Diese ließen sich die Begrifflichkeit des FDM patentrechtlich schützen, weswegen heutzutage Fused Filament Fabrication als Synonym verwendet wird. Die FFF - auf deutsch Schmelzschichtung - zählt, wie im vorherigen Kapitel eingeordnet, zu der Überkategorie des RP. Als Baumaterial werden thermoplastische Kunststoffe verwendet. Im Zuge niedriger Materialkosten liefert dieses Verfahren die günstigste Variante des RP, um dreidimensionale Objekte zu erzeugen. Deswegen ist das Druckverfahren insbesondere für den privaten Gebrauch gegenwärtig das Populärste. Laut Bre Pettis, CEO von Makerbot Industries könne die FFF folgendermaßen vereinefacht beschrieben werden: „It’s basically like a hot-glue gun that uses the same kind of plastic used to make Legos“ [MAI11]. Tatsächlich spiegelt dieser Ausspruch das Prinzip des Modellierens durch aufgeschmolzene Ablagerungen in abstrakter Form wieder.

Verbrauchsmaterial

Als Werkstoffe können Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle eingesetzt werden. Typischerweise sind die meisten 3D-Drucker auf die beiden Kunststoffe Acrylnitril-Butadien-Styrol kurz ABS und Polylactide kurz PLA ausgelegt [3DR14a, MAI11, HOR14, FAS14]. Die Betrachtung werkstoffspezifischer Eigenschaften dieser Baumaterialien wird in Kapitel 2.3 vertieft. Im Folgenden soll es zunächst um die Funktionsweise des 3D-Druckes gehen.

Materialausgabeeinheit

Unabhängig von der Art des verwendeten Werkstoffes liegt dieser in Drahtform auf Spulen gewickelt als Verbrauchsmaterial vor. Er wird als Filament bezeichnet und hat Durchmesser von 1,75mm bis 3mm. Dieser drahtförmige Kunststofffaden wird der Materialausgabeeinheit zugeführt. Der sogenannte Extruder fördert Material in Abhängigkeit der gewünschten Ausbringungsmenge an das Heizelement. Die gesamte Materialausgabeeinheit ist schematisch in Abbildung 2.4 dargestellt. Der Extruder besteht gewöhnlicherweise aus einem Förderrädchen, welches durch einen Servomotor angetrieben wird. Um den Materialfluss zu unterbrechen, wenn zum Beispiel eine nicht zur Bauteilkontur gehörende Fläche passiert wird, kann der Extruder rückwärts fördern. In vertikaler Richtung gelangt das noch feste Material in das Heizelement. Dort findet der eigentliche Schmelzprozess des drahtförmigen Kunststoffes bei Temperaturen zwischen 180°C und 240°C statt. Die Temperatur wird durch einen in das Heizelement eingesetzten Thermistor gemessen. Ein ebenfalls in das Heizelement eingelassener Heizwiderstand passt die Temperatur auf einen entsprechend vorgegebenen Sollwert an. Damit gewährleistet wird, dass die Wärme sich nicht entlang des Filamentstranges ausbreitet, sind Kühlrippen zwischen Extruder und Heizelement eingesetzt, welche durch einen Lüfter permanent gekühlt werden. Andernfalls könnte das Filament bereits im Extruder schmelzen und nach Abkühlung die Filament-Führungsröhre verstopfen. Im Anschluss an das Aufschmelzen gelangt das flüssige Filament in vertikaler Richtung in das Reservoir oberhalb der Düse. Gängige Düsen haben Durchmesser von 0,2mm bis 0,5mm. Je kleiner die Düse ist, desto weniger Material wird pro Zeiteinheit auf die Druckplattform aufgetragen [HOR14, LIV14]. Einerseits verlangsamt sich auf diese Weise der Druck. Andererseits werden einzelne Schichten dünner und Flächen glatter, was die finale Oberflächenqualität des Objektes steigert. Nachdem das geschmolzene Material aus der Düse tritt, muss sichergestellt werden, dass es unmittelbar auf der darunterliegenden Schicht haftet und wieder erkaltet. Zu diesem Zwecke wird eine Filament-Kühlung eingesetzt. Es wird ein Lüfter benutzt, der gezielt die frisch gedruckte Materialschicht, jedoch nicht die aufgeheizte Düse anbläst. Der Abstand zwischen Düsenaustrittsbohrung und Auftragungsfläche kann 0,05mm bis 0,3mm betragen. Es besteht die Möglichkeit mehrere Extrudereinheiten nebeneinander zu betreiben. Dadurch lassen sich mehrere Filamente in einem Objekt verdrucken. Des Weiteren kann eine solche Materialausgabeeinheit auch Stützmaterial drucken, welches die Erstellung von Überhängen und Hinterschneidungen in der Objektgeometrie ermöglicht [3DD14a].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Prinzipskizze einer Materialausgabeinheit [GOP14]

Bewegungssystem

Grundsätzlich kann jeder 3D-Drucker drei Bewegungsrichtungen ausführen, um den kompletten dreidimensionalen Bauraum aufzuspannen. Die X-Achse beschreibt die Breite, die Y-Achse beschreibt die Tiefe und die Z-Achse beschreibt die Höhe des Bauraumes. Bei der Realisierung der X- Y- und Z-Bewegung existieren verschiedene Möglichkeiten. Diese Varianten unterscheiden sich darin, welche Bewegungen vom Extruderkopf und welche vom Druckbett ausgeführt werden. Es gibt 3D- Drucker bei denen das Druckbett nur in Z-Richtung beweglich ist und sich die Extrudereinheit in X- und Y-Richtung bewegt. Auch die Variante, dass sich der Extruderkopf in X- und Z-Richtung bewegt ist geläufig. Diverse andere Anordnungen bis hin zu einem unbewegten Druckkopf sind ebenfalls denkbar.

Die einzelnen Bewegungen werden durch Servomotoren gesteuert und die Kraftübertragung geschieht mithilfe von Zahnriemen oder Spindeln. Die Bewegung in Z-Richtung erfolgt nach Fertigstellung einer Schicht um die Höhe einer Schichtdicke. Die X- und Z-Bewegungen sind deutlich dynamischer, da jeweils die komplette Querschnittsfläche des Objektes befahren werden muss.

Steuerungselektronik

Für X-, Y- und Z-Achse wird jeweils ein Endstop-Sensor verbaut, um nach Einschalten des 3D- Druckers die tatsächliche Position des Extruderkopfes zu justieren. Dies kann durch mechanische oder auch optische Sensoren erfolgen. Diese Signale laufen mit sämtlichen weiteren Signalen von Thermistoren und Motoren auf der Hauptplatine zusammen und werden mittels einer druckerspezifischen Firmware gesteuert. Die zu druckenden CAD-Daten können üblicherweise über eine Speicherkarte in das Druckersystem eingespeist werden.

Druckbett

Das Druckbett bildet die Bauplattform für das zu generierende dreidimensionale Objekt. Die Abmessungen dieser Plattform legen die in horizontaler Ebene verfügbare Bauraumgröße fest. Kantenlängen von 200mm bis 300mm sind für die meist quadratischen Druckbetten gängig. Wahlweise kann das Druckbett durch eine Heizplatte auf Temperaturen zwischen 60°C und 140°C in Abstimmung auf das verwendete Filament beheizt werden. Auf diese Weise sollen ungewollte Verformungen, hervorgerufen durch Abkühlen der unteren Materialschichten, während des Druckvorganges vermieden werden. Durch den Einsatz von Kork als Isolationsmaterial lässt sich das Druckbett gezielt aufheizen. Um dem Druckbett die notwendige Stabilität zu verleihen, wird auf das Heizbett eine massive Glas- oder Aluminiumplatte aufgesetzt, welche die Wärme transportiert. Als oberste Schicht wird ein weiterer Stoff aufgetragen. Dieser hat die Aufgabe, die optimale Haftung des zu druckenden Objektes auf dem Druckbett zu gewährleisten. Aktuell wird häufig ein sogenanntes Bluetape der Firma 3M verwendet. Allerdings ist es noch keine vollständig ausgereifte Lösung. Aus diesem Grunde wird sich in dieser Bachelorarbeit im Speziellen mit der Identifikation und Evaluierung von geeigneten Druckbettmaterialien beschäftigt. In Kapitel 2.4 wird sich den Schwachstellen des 3D-Druckverfahrens gewidmet, welche unter anderem durch ungenügende Druckbetten hervorgerufen werden.

2.3 Werkstoffeigenschaften der Filamentmaterialien

Das sogenannte Filament ist das Verbrauchsmaterial der FFF-basierten 3D-Drucker zur Generierung von Druckobjekten. Überwiegend werden Thermoplasten eingesetzt, das heißt Kunststoffe, die sich jeweils in einem bestimmten Temperaturbereich verformen lassen. Daneben existieren Mischfilamente, die aus einem bekannten Kunststoff-Trägermaterial mit einer weiteren Materialzugabe zusammensetzen. Bekannte Zugabematerialien sind Holzpartikel, bekannt unter dem Namen Laywood und Sandstein, bekannt unter dem Namen Laybrick. Des Weiteren gibt es ebenfalls Filamente mit einem metallischen Anteil, wie zum Beispiel Aluminium oder Karbon [HOR14].

Die Tabelle 2.1 zeigt eine Liste der gängigen Filamente mit den für deren Einsatz wichtigsten Eigenschaften. Die Glastemperatur beschreibt das Temperaturniveau, ab dem ein Polymer in einen gummiähnlichen Zustand übergeht. Dieser Kennwert ist für die spätere Benutzung des gedruckten Objektes entscheidend, denn ab dieser Temperatur kommt es zu plastischen Veränderungen. Die Drucktemperatur ist die Verabeitungstemperatur, die von der Düse des 3D-Druckers bereitgestellt werden muss. Die Druckgeschwindigkeit beschreibt die Geschwindigkeit, in der sich der Extruder über das Druckbett bewegen kann. Als letzter Kennwert ist die Heizbetttemperatur gelistet. Diese Parameter-Auflistung darf jedoch nicht als Universalleitfaden, sondern vielmehr als grobe Orientierungshilfe verstanden werden, weil diese Parametergrößen im Zusammenspiel zwischen 3D- Druckermodell und Filament-Marke individuell angepasst werden sollten.

Tabelle 2.1: Filamentbandbreite [DDD14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Standardmäßig wird das Filament, welches übersetzt Fadenwerk bedeutet, auf Vorratsrollen gewickelt ausgeliefert. Universell einsetzbares Filament hat Durchmesser von 3mm oder 1,75mm. Einige Filamenttypen weisen eine hygroskope Neigung auf und tendieren folglich zur Wasseraufnahme aus der Umgebungsluft. Deswegen ist es ratsam, das Baumaterial trocken in einer luftdichten Kiste aufzubewahren, um dessen langfristige Haltbarkeit sicherzustellen [BOO14b], denn die Qualität des Filaments ist unter anderem ausschlaggebend für die spätere Druckqualität. Unordentlich gewickelte Rollen oder Filamentstränge mit inkonstantem Durchmesser können das Druckergebnis ebenfalls negativ beeinflussen. Die Auswahl eines qualitativ hochwertigen Filaments ist daher von großer Bedeutung [IGO14b].

Laywood ist eine Mischung aus Holzfasern getränkt mit Polymerbinder. Gedruckte Objekte haben ein holzähnliches äußeres Erscheinungsbild und duften hölzern. Zusätzlich kann das Objekt holzähnlich geschliffen werden. Mit steigender Temperatur lässt sich das Laywood-Material zum Glimmen bringen, sodass es dunkler wird. Als Begleiteffekt nehmen die Holzzusätze die Eigenspannungen aus dem Material auf und ermöglichen einen Druck ohne Verwerfung der Sockelschichten. Jedoch sind die Objekte recht weich und ihre Oberflächen rau, weswegen sich dieses Material überwiegend zum Bau von Modellen eignet.

Polyethylenterephthalat kurz PET gehört zu den zehn weltweit am häufigsten genutzten Kunstoffen. Es handelt sich bei PET um einen lebensmittelechten Kunststoff. Allerdings liegt eine offizielle Zertifizierung des Filaments zur Eignung für den Lebensmittelkontakt noch nicht vor. Das transparente Material hat eine hohe Glasübertragungstemperatur. Im Gegensatz zu ABS ist es zusätzlich geruchslos und auf ein beheiztes Druckbett kann verzichtet werden [HOR14, IGO14b].

Laybrick ist ein dem Sandstein ähnelndes Filament. Es ist eine Mischung aus mineralischen Anteilen und Co-Polyestern. Die Druckergebnisse können hinterher geschliffen und bemalt werden. Auch dieses Material wird überwiegend für den Modellbau eingesetzt.

Filamente aus Nylon weisen nach dem Druck eine große Härte und Zähigkeit auf. Demnach ist es abriebfest sowie schalldämpfend. Darüber hinaus ist Nylon-Filament chemisch beständig gegenüber Alkohol, Kraftstoff, Öl, Laugen, Säuren und Salz [PRO14].

Gegenüberstellung von PLA und ABS

Die im Laufe der bisherigen Ausarbeitungen bereits erwähnten Kunststoff-Filamente PLA und ABS sind die am häufigsten Verwendeten. Diese beiden sollen für die Druckbettevaluation auch ausschließlich verwendet werden. Somit soll auf die beiden nun ausführlicher eingegangen und deren Charakteristika vorgestellt werden.

Der nachfolgende tabellarische Vergleich zwischen ABS und PLA, siehe dazu Tabelle 2.2, basiert auf den Auswertungen einer durchgeführten Projektarbeit der Fachhochschule Kaiserslautern, am Campus Pirmasens, in Kooperation mit der im Vertrieb und Konstruktion von 3D-Druckern tätigen Firma „fabbmatic“. Für die Interpretation der Untersuchungen ist es wichtig im Hinterkopf zu behalten, dass Standard-PLA und Standard-ABS eingesetzt wurden. Spezielle Filamente, wie beispielsweise „flexible-PLA“ werden nicht repräsentiert. Für die Drucktests wurde das Modell „MendelMax FM Pro“ verwendet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.2: Thermische & Mechanisch-physikalische Eigenschaften [PRO14, 3DR14b]

PLA steht für Polyactid und ist ein aus Zuckerrohr oder Maisstärke gewonnener Kunststoff. Die stofflichen Eigenschaften lassen sich durch Abänderung der Verhältnisse von L- und D-Milchsäuren sowie Molekulargewichte sehr variabel einstellen. Auf diese Weise können PLA basierte Filamente mit speziellen Werkstoffeigenschaften, wie erhöhter Flexibilität oder Leuchteffekten, generiert werden. PLA hat einen Elastizitätsmodul von etwa 3500MPa, eine Bruchfestigkeit von etwa 60MPa und eine Kerbschlagzähigkeit von 2kJ/m² bis 40kJ/m². Die Oberflächenhärte und UV-Beständigkeit sind hoch. Zusätzlich ist PLA nicht entflammbar. Allerdings ist die Witterungsbeständigkeit eher gering und die Glastemperatur liegt bereits bei 45°C bis 65°C.

ABS ist die Kurzform von Acrylnitril-Butadien-Styrol und ist ein synthetisches Terpolymer, beruhend auf Ölbasis. Durch die sogenannte Pfropfcopolymerisation oder das Blending der fertigen Polymere erfolgt dessen Herstellung. ABS hat einen Elastizitätsmodul rund 2300MPa, eine Bruchfestigkeit von etwa 70MPa und eine Kerbschlagzähigkeit von 5 bis 50 kJ pro m². PLA besitzt sehr gute mechanisch- physikalische Eigenschaften. Im Allgemeinen ist PLA etwas härter und spröder (höherer E-Modul) als ABS, verbunden mit einer höheren Oberflächenhärte. ABS ist „weicher“ und leichter plastisch verformbar. Die Nachbehandlungsmöglichkeiten sind, ebenso wie die UV-Beständigkeit, besser als bei PLA. Auch die Glastemperatur in Höhe von 110°C liegt deutlich oberhalb derer von PLA. Jedoch kann ABS im Gegensatz zu PLA toxisch bzw. reizend sein. Anders als das leicht spröde PLA, wirkt ABS in gedruckter Form eher flexibel. Mit ABS gedruckte Objekte haben eher matte Oberflächen, mit PLA gedruckte Objekte andererseits leicht glänzende. Beide Materialien können in einer ähnlich großen Farbvielfalt hergestellt werden. Die Materialien, ABS und PLA, sind ohne Farbzusätze milchig-beige. Die Hinzugabe entsprechender Farbstoffe verleiht dem Filament den jeweiligen Farbton [3DR14a].

Von besonderer Relevanz für die Druckbetten-Testreihe sind die Materialeigenschaften, die während der Verarbeitung, dem Extrusionsprozess, zum Tragen kommen. Die erforderliche Kraft für den Extrusionsvorgang ist aufgrund des höheren Reibungskoeffizienten von PLA größer als bei ABS. Wie bereits erwähnt hat ABS eine höhere Schmelztemperatur als PLA. ABS wird demzufolge ab 225°C und PLA bei 190°C bis 210°C extrudiert. Dabei können im Fall von ABS unangenehm riechende Dämpfe entstehen, weswegen der Raum gelüftet werden sollte. ABS neigt gegenüber PLA in einem stärkeren Maße zur, in Kapitel 2.4 vertieft behandelten, Krümmung bzw. Verwerfung der unteren Druckschichten [KUN14a, KUN14b]. Auch das Aufplatzen zweier Schichten in horizontaler Ebene tritt häufiger bei ABS auf. Deswegen ist es bei ABS unerlässlich ein Heizbett einzusetzen, bei PLA hingegen ist es fakultativ. Für ABS wird eine Heizbetttemperatur von 90°C bis 140°C gewählt und für PLA etwa 60°C. Die exakte Temperatur ergibt sich auf Grundlage von Testdrucken unter Berücksichtigung der sonstigen, druckerspezifischen Konfigurationen. Bei PLA kommt es vermehrt zu Kräuselungen von Ecken und Überhängen. Bei dessen Druckvorgang ist der Einsatz einer aktiven Filamentkühlung ratsam, um den frisch aufgetragenen PLA-Strang unmittelbar erstarren zu lassen. Für ABS ist eine solche Kühlung des gedruckten Filaments hingegen nicht erforderlich. Bei beiden Materialien kommt es zur Haftungsproblematik auf dem Druckbett, wobei die Haftung bei ABS noch schlechter als bei PLA ist [3DR14a, PRO14].

2.4 Problematiken und Schwachstellen des 3D-Druckes

Der FFF basierte 3D-Druck gewinnt in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung, denn diese noch junge Technologie wird im Zuge steigenden Wettbewerbs ständig günstiger. Aus diesem Grund entwickelt sich neben dem industriellen Einsatz auch ein Massenmarkt für Privatanwender. 3D- Drucker für Preise unter 500€ sind mittlerweile erhältlich. Es wird sogar so weit gegangen, dass der FFF Technologie das Potential einer „dritten industriellen Revolution“ [RIF11] eingeräumt wird. Chris Anderson, CEO von 3DRobotics, ist hingegen der Ansicht: „The 3D printer is not a technological revolution, but a social revolution. It gives individuals the ability to manufacture their own products. That is a revolution” [3DE13]. Er spricht von einer sozialen Revolution, weil es nun quasi jedem im Zuge des 3D-Druckes möglich sei, hoch individualisierte, bedarfsgerechte Objekte zu generieren. Eine Tauglichkeit für Massenproduktionen traut er der Technologie jedoch aktuell noch nicht zu, weil insbesondere für private Nutzer und kleinere Unternehmen konzipierte Drucker aus den unteren Preissegmenten noch eine Vielzahl von Schwachstellen bzw. Unzulänglichkeiten aufweisen [HOR14].

Oberflächenqualität

Die vom herkömmlichen Kunststoffguss oder anderen RP-Verfahren bekannten glatten und glänzenden Oberflächen können aktuell mit der FFF-Druckertechnologie noch nicht erreicht werden. Charakteristisch ist vielmehr eine gleichmäßige Parallelriffelung in horizontaler Richtung. Diese entsteht im Zuge des sukzessiven Schichtauftrages durch die Extruderdüse. In Abhängigkeit des Düsendurchmessers kann die Riffelung feiner oder gröber ausfallen, was Abbildung 2.5 verdeutlicht. Vollkommen plane Flächen lassen sich nach gegenwärtigem Stand ohne Nachbehandlung nicht erstellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Gegenüberstellung der Oberflächenbeschaffenheit für unterschiedliche Schichthöhen [3DP14b]

Durch Anpassung des Schichtdicke-Parameters kann die Qualität der Oberflächen positiv beeinflusst werden. So stehen 0,1mm für eine hohe und 0,3mm für eine niedrige Qualitätsstufe [ANI01, RID14]. Als Konsequenz dessen bedeutet eine niedrigere Schichtdicke eine längere Druckzeit. Des Weiteren können spezielle Polituren, die überwiegend auf alkoholischer Basis sind, die Oberflächenbeschaffenheit nachträglich aufwerten. Jedoch führen solche Nacharbeiten zu Präzisionsund Detailgradeinbußen des generierten Objektes. Zudem sind diese Flüssigkeiten toxisch, sodass deren Verwendung ausgesprochen sorgsam erfolgen sollte [3DP14a].

Zeitaufwand

Der Druckvorgang ist recht zeitintensiv, so können bereits mittelgroße Objekte Druckzeiten von mehreren Stunden benötigen. Ist ein Druckauftrag erst einmal gestartet, lässt er sich nicht mehr unterbrechen. Aus diesem Grunde ist eine vorausschauende Planung hinsichtlich Priorisierung der zu druckenden Objekte und eine effiziente Ausnutzung des gegebenen Bauraumes ausgesprochen wichtig. Es besteht angesichts verschiedenster Störeffekte bzw. Fehlerquellen die Gefahr eines ungewollten Druckabbruches, sodass womöglich stundenlange Druckaufträge umsonst waren.

Die Geschwindigkeit des Druckvorgangs wird maßgeblich von der Schichtdicke, von der Füllungsstärke und auch durch die Wandstärke beeinflusst. Die zeitliche Dauer eines Druckes steht also im Spannungsfeld mit Qualität und Stabilität des zu generierenden Objektes. Die Füllungsstärke („Infill“) wird in Prozent angegeben. Objekte mit einer Stärke von knapp 100% sind einerseits ausgesprochen massiv und stabil, aber dafür kann sich der Druckzeit gegenüber normalen Füllstärken von 30% bis 40% verdoppeln. Ein massiver Quader mit 50mm Kantenlänge und einer Füllstärke von 30% dauert knapp drei Stunden. Derselbe Körper benötigt bei 100 prozentiger Füllung sieben Stunden bis zu Fertigstellung.

Zwar ist davon auszugehen, dass sich die Arbeitsgeschwindigkeit im Zuge technologischer Weiterentwicklungen noch steigern wird, allerdings limitieren die stofflichen Eigenschaften der Filamente dieses Potential. Denn bei zu schneller Extrusion des aufgeschmolzenen Materials bleibt beispielsweise nicht ausreichend Erkaltungszeit, damit die Schichtstruktur hinreichend aneinander haftet [RID14, PCW14].

Kosten

Um einen Kostenüberblick zu bekommen, sind zwei Kostenfaktoren relevant. Zum einen sind die Anschaffungskosten für den 3D-Drucker an sich zu nennen. Dafür lässt sich ein Durchschnittspreis für einen 3D-Drucker für heimische Anwendungszwecke in Höhe von 1000€ veranschlagen. Daneben ist nur noch das Verbrauchsmaterial in Form der Filamentspulen zu betrachten. Betriebskosten wie Strom sind vernachlässigbar gering und außerdem werden keinerlei zusätzliche Werkzeuge zur Objekterstellung benötigt.

Der Preis für das Filament liegt bei etwa 20€ pro Kilogramm. Demnach würde ein massiver Quader mit 50mm Kantenlänge und einer Füllstärke von 30 Prozent rund 50g Filament verbrauchen. Der Quader würde also Materialkosten in Höhe von 1€ verursachen. Über Kleinserien hinausgehende Losgrößen können preislich also nicht mit dem konventionellen Industrieverfahren zur Herstellung von Kunststoffteilen, dem sogenannten Spritzgussverfahren, konkurrieren. Es sind jedoch in Zukunft Preisnachlässe im Zuge steigenden Wettbewerbs zu erwarten, wenngleich das Spritzgussverfahren auf absehbare Zeit nicht unterboten wird [TRI14].

Filament

Eine weitere Schwachstelle sind die standardmäßig eingesetzten Kunststoff-Filamente. Denn bei einer so jungen Technologie auf die Verwendung von Kunststoffen als Baumaterial zu setzen, kollidiert mit der global anerkannten Ambition, den Kunststoffverbrauch zielstrebig einzuschränken. Insbesondere bei der ABS-Filamentherstellung entsteht ein umweltunverträgliches Nebenerzeugnis. Bei der Herstellung von PLA wird überwiegend Maisstärke genutzt, weswegen dieses Material auch biologisch abbaubar ist. Des Weiteren wird versucht den Kunststoff-Einsparungstrend zu unterstützen, indem Plastikmüll zu Filament aufbereitet werden soll.

Darüber hinaus sind die meisten potentiellen zu druckenden Objekte nicht ausschließlich aus einem Stoff, sondern aus mehreren Stoffen. Üblicherweise werden Kunststoffe und Metalle gemeinsam in Gegenständen verwendet. Diese können allerdings von einem 3D-Drucker niemals in Kombination gleichzeitig gedruckt werden, weil die Schmelzpunkte beider Stoffe eine zu große Diskrepanz haben. Die stofflich unterschiedlichen Bestandteile eines Gegenstandes müssen folglich immer separat gedruckt werden.

Laut einer Studie des Illinois Institute of Technology, veröffentlicht im „Atmospheric Environment Journal“ komme es beim Extrudiervorgang des geschmolzenen Filaments zur Emission von Feinstaubpartikeln, „ranging from about 20 billion particles per minute for a 3D printer utilizing a lower temperature polylactic acid (PLA) feedstock to about 200 billion particles per minute for the same type of 3D printer utilizing a higher temperature acrylonitrile butadiene styrene (ABS) feedstock.” [PHY14]. Dieser Feinstaub könne sich in den Lungenflügeln ablagern und stellt damit ein Gesundheitsrisiko dar [TEC14, 3DG14].

Mechanische Belastbarkeit

Das additive Schichtungsverfahren eines 3D-Druckers mit FFF-Technologie bedingt eine geringere Bauteilbelastbarkeit als bei konventionellen Fertigungsverfahren. In der Vertikalen macht sich die Stabilitätseinbuße bemerkbar, weil die einzelnen Kunststoffschichten ähnlich einem Laminat verklebt sind und keine homogene Struktur bilden. Dementsprechend muss man sich vor dem Druck Gedanken machen, wie die Kraftverläufe bei Belastung des Objektes ausgerichtet sein werden. Daraus kann dann die Positionierung auf der Druckplatte abgeleitet werden. Objektsegmente in X- und Y-Richtung sind belastbarer als in Z-Richtung.

Objekthaftung

Ein weiteres bedeutsames Problemfeld ist die initiale Haftung des Druckobjektes auf der Bauplattform. Diese Objekthaftung ist von enormer Wichtigkeit, um sicherzustellen, dass der Druckvorgang erfolgreich vonstatten geht.

Aufgrund mangelnder Adhäsionskräfte zwischen Druckbettmaterial und unterster Filamentschicht kann eine feste Verbindung ausbleiben. Dadurch ist das Objekt nicht fixiert und kann auf der Druckplatte zu rutschen beginnen. Außerdem kann das Druckobjekt im Laufe des Druckprozesses von der Druckplatte abplatzen, weil die unteren Schichten abkühlen und sich das Objekt, hervorgerufen durch Verknäulung der molekularen Struktur, verwirft. In beiden Fällen würde ein Fehldruck das Resultat sein. Schlimmstenfalls läuft der Druck unbeaufsichtigt ab und es bleibt bis zur Fertigstellung unbemerkt. Das bedeutet einen großen Zeit- und Materialverlust.

Insbesondere bei Objekten mit großem Sockelquerschnitt können objektinterne Eigenspannungen, welche durch ungleichmäßiges Abkühlen entstehen, auftreten. Als Konsequenz dessen löst sich das Objekt unter Umständen in den äußeren Randbereichen, besonders an Ecken, von der Druckplatte. Der Sockel verzieht und krümmt sich, was in Abbildung 2.6 an der unteren linken Ecke des Würfels deutlich zu erkennen ist. Solche balligen Standflächen verursachen Präzisionseinbußen, bis hin zur Unbenutzbarkeit des gedruckten Objektes. Bei flacheren Druckteilen können sich sogar Risse entlang des Querschnitts bilden. Durch den Einsatz von Druckbettmaterialien mit einer besseren Haftung zu den im 3D-Druck verwendeten Kunstoffen könnten diese sogenannten „Warping“-Erscheinungen reduziert werden.

Abbildung 2.6: Testobjekt mit „Warping“-Erscheinung

Andererseits sind Materialien für die Druckplatte im Einsatz, welche eine zu starke Haftkraft auf das zu druckende Objekt haben. Zwar bleiben dann die zuvor beschriebenen Probleme aus, allerdings treten Schwierigkeiten nach Fertigstellung des Druckobjektes auf. Im Idealfall sollte sich das Objekt nach Beendigung des Druckes und gegebenenfalls Abschaltung des Heizbettes ohne Kraftaufwand vom Druckbett ablösen lassen. Da für manche Materialen die Haftung derart groß ist, kann das Objekt auch bei kaltem Heizbett nur unter hohem Kraftaufwand abgerissen werden. Dies geht stets mit einer möglichen Druckteilbeschädigung einher. So kann das Objekt gegebenenfalls sogar im unteren Sockelbereich zwischen zwei Filamentschichten zerreißen.

Man bewegt sich bei der Findung eines geeigneten Druckbettmaterials im Spannungsfeld zwischen zu geringer und zu hoher Adhäsion. In der 3D-Druck Szene wird der Lösung dieser Problematik eine große Bedeutung beigemessen, weil die Haftung der ersten Schicht den Grundstein für einen erfolgreichen Druck legt. Es gibt bereits eine Vielzahl an Lösungen, die in Form von Kickstarter-Projekten vermarktet werden. Auch Privatnutzer setzten sich mit diesem Thema auseinander und entwickeln ebenfalls eigene Lösungen. Jedoch spielen diverse weitere Einflussfaktoren in die Haftungsproblematik hinein. Es muss eine optimale Kombination aus Druckbetttemperatur, Extrudertemperatur, Düsendistanz und verwendetem Filament gefunden werden. Zahlreiche Materialien wurden bereits getestet und im Internet lassen sich verschiedenste Erfahrungsberichte finden. Aber trotz aller Bemühungen scheint noch kein vollständig zufriedenstellendes Material gefunden worden zu sein. Kapitel 2.5 stellt den Entwicklungsstand von Druckbettmaterialien detaillierter vor. Vor diesem Hintergrund sollen die im Internet teilweise verstreuten Einzelbeiträge zu dieser Thematik zu einer übersichtlicheren Gesamtschau gebündelt werden.

2.5 Übersicht über den Stand der Druckbettenentwicklung

Angesichts der in Kapitel 2.4 beschriebenen Objekthaftungsprobleme, wird dem Druckbettmaterial in der 3D-Drucker Szene eine zentrale Bedeutung beigemessen. Die Zielsetzung besteht darin, eine Oberfläche zu finden, auf der das Druckobjekt während des Druckvorgangs haftet, sich aber nach Beendigung des Druckes problemlos lösen lässt. Der Kreativität sind bei der Findung eines Druckbettmaterials keine Grenzen gesetzt, abgesehen von der Temperaturbeständigkeit. Für ABS wird das Heizbett auf bis zu 140°C aufgeheizt, einer solchen Temperatur müsste es standhalten. [ENG14] Das aktuell geläufigste Druckbettmaterial ist das blaue Malerkreppband der Firma 3M. Dieses sogenannte „Scotch Bluetape“ zeichnet sich durch seine relativ raue Oberflächenstruktur aus, sowie eine rückstandsfreie Entfernung von der Druckbettplattform. Zwar bietet dieses Kreppband gute Haftungseigenschaften aufgrund seiner rauen Oberflächenstruktur, allerdings treten deswegen Einbußen bei der Oberflächenqualität der Objektunterseite auf. Laut Erfahrungsberichten lassen sich grundsätzlich alle gängigen FDM-Filamente auf diesem Material drucken. Das Klebeband wird in 3“ und 4“ Breite vertrieben. Daher ist es stets notwendig mehrere Bahnen nebeneinander auf die Druckplattform aufzutragen. Somit treten Nahtstellen auf, an denen bei zu großem Spaltmaß Filament der initialen Druckschicht einsacken kann [UNI14a]. Folglich wird das spätere Druckobjekt ebenfalls einen lokalen Materialüberschuss auf der Bodenseite aufweisen. Außerdem ist der Verschleiß dieses Kreppbandes hoch. Beim Ablösen des Druckobjektes können Klebebandsegmente derart stark am Objekt haften, dass beides gemeinsam vom Druckbett getrennt wird und der betroffene Klebstreifen dann ausgetauscht werden muss. Folglich handelt es sich bei dem Bluetape um einen Verschleißartikel, jedoch ist es relativ preisgünstig [IGO14c].

Ein ähnlich oft eingesetztes Material ist das von der Firma DuPont hergestellte Kapton Polymide-Klebeband. Dieses wurde für die Raumfahrttechnologie entwickelt und weist eine Hitzebeständigkeit bis 400°C auf [DUP14, REP14e]. Im Gegensatz zum Bluetape wird dieses auch in deutlich breiteren Bahnen vertrieben, weswegen die Schwierigkeiten in Bezug auf Nahtstellen entfallen. Jedoch ist das blasenfreie Auftragen des folienähnlichen Klebebandes zeitaufwändig. Die Oberflächenbeschaffenheit ist dafür deutlich feiner. Fertige Druckobjekte bekommen dadurch eine sehr glatte, glänzende Sockeloberfläche. Andererseits ist das Kapton Klebeband deutlich teurer als Bluetape [HOR14].

Für sämtliche infrage kommenden Klebebandlösungen wird eine massive Platte als plane Auftragungsfläche benötigt. Im Normalfall kommt eine Glasplatte zum Einsatz, weil diese über eine hervorragende Ebenheit verfügt. Es bestehen auch Ansätze, direkt auf eine Glas- oder Spiegelplatte zu drucken. Vorteilhaft ist daran, dass kein regelmäßiger Verschleiß anfällt und es eher als Dauerdruckplatte funktioniert. Verschiedenste Glaszusammensetzungen existieren, was die Vergleichbarkeit erschwert und die Meinungen über Glas als Druckbettmaterial weit auseinander gehen lässt [THI14, TOP14]. So gibt es beispielsweise Tests mit sogenanntem „Sitall Glass U3D“, welches gute Hafteigenschaften während des Druckvorgangs liefere. Nach Fertigstellung und dem damit einhergehenden Abschalten des Heizbettes, platze das Druckobjekt sogar von selbst von dieser Glasplatte. Die Oberflächenqualität des Druckobjektes ist noch höher als bei Kapton Klebeband. Allerdings wird Glas insgesamt jedoch geringe Haftkraft für Kunststofffilamente nachgesagt, da die Platte zu glatt für ausreichende Adhäsion ist. Zudem erfordert die Verwendung einer Glasplatte gegenüber anderen Materialien besonders hohe Präzision beim Leveling des Druckbettes, was mit einem hohen Zeitaufwand verbunden ist [UNI14b].

Neben Glasplatten werden unter anderem auch Keramik-, Karbon-, Aluminium und verschiedenste Kunststoffplatten verwendet. Diese lassen sich also mit oder auch ohne Beklebung bedrucken. Im Hinblick auf Kunststoffe sind insbesondere Thermoplasten relevant, weil diese ihre stofflichen Eigenschaften auch nach Erhitzung und anschließendem Erkalten beibehalten. Als Druckbettplatte werden unter anderem Polyetherehterketon (PEEK), Polyethermid (PEI), Polyvinylchlorid (PVC) sowie Polypropylen (PP) verwendet.

[...]

Ende der Leseprobe aus 100 Seiten

Details

Titel
Identifikation und Evaluierung von Materialien als Druckbettoberflächen in 3D-Druckern
Hochschule
Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig
Note
1,3
Autor
Jahr
2015
Seiten
100
Katalognummer
V344868
ISBN (eBook)
9783668347731
ISBN (Buch)
9783668347748
Dateigröße
3345 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
identifikation, evaluierung, materialien, druckbettoberflächen
Arbeit zitieren
Christian Franke (Autor), 2015, Identifikation und Evaluierung von Materialien als Druckbettoberflächen in 3D-Druckern, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/344868

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