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 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.
Inhaltsverzeichnis
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
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit identifiziert und evaluiert Materialien für 3D-Druck-Druckbettoberflächen, um die Haftungsproblematik zwischen Druckobjekt und Bauplattform zu minimieren und die Benutzerfreundlichkeit zu steigern. Dabei steht die Entwicklung einer standardisierten Testumgebung im Fokus, um physikalische Haftkräfte unterschiedlicher Materialien quantifizierbar zu machen und Anforderungen an ein ideales Druckbett abzuleiten.
- Grundlagen und Stand der Technik des 3D-Drucks (FDM-Verfahren).
- Aufbau und Konfiguration einer dedizierten 3D-Druck-Testumgebung.
- Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Objekthaftung (Temperatur, Geschwindigkeit, Oberflächenbeschaffenheit).
- Evaluierung verschiedener Druckbettmaterialien (Bluetape, Glas, Aluminium, etc.).
- Formulierung von Anforderungen an ein optimales Druckbettmaterial für den 3D-Druck.
Auszug aus dem Buch
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 Kunststoffen könnten diese sogenannten „Warping“-Erscheinungen reduziert werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in das Thema des 3D-Drucks ein und benennt die Haftungsproblematik des Druckbetts als zentrales, zu lösendes Problemfeld der Arbeit.
2 Stand der Technik: Hier werden die Grundlagen des Rapid Prototyping und des FDM-Drucks sowie gängige Materialien und Schwachstellen des aktuellen Stands der Technik erläutert.
3 Analyse von bestehenden Druckbettmaterialkonfigurationen: Dieses Kapitel beschreibt den Aufbau einer Testumgebung, einschließlich Druckerbau, Kalibrierung und der Definition von Testmethoden für die Haftungsanalyse.
4 Erarbeitung einer geeigneten Druckbettmaterialkonfiguration: Die durchgeführten Testreihen werden hier ausgewertet, Materialien bewertet und basierend darauf Anforderungen an ein ideales Druckbettmaterial definiert.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Diese Zusammenfassung reflektiert die Ergebnisse der Identifizierung und Evaluierung von Druckbettmaterialien und ordnet die Bedeutung der Arbeit in den Kontext der 3D-Druck-Entwicklung ein.
Schlüsselwörter
3D-Druck, FDM, Rapid Prototyping, Druckbett, Haftung, Adhäsion, Warping, Filament, PLA, ABS, Testverfahren, Materialevaluierung, Prozessoptimierung, Oberflächenbeschaffenheit, Bauteilqualität.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Bachelorarbeit befasst sich mit der Optimierung des 3D-Druckprozesses, speziell mit der Identifikation und Evaluierung von Druckbettmaterialien, um die Haftung der Objekte auf der Bauplattform zu verbessern.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zu den zentralen Themen gehören die Grundlagen des FDM-3D-Drucks, die Analyse der Haftungsproblematik (insbesondere Warping), der Aufbau von Testständen und die systematische Untersuchung verschiedener Materialien.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, ein Druckbettmaterial zu identifizieren oder Anforderungen an ein solches zu definieren, welches eine sichere Haftung während des Druckvorgangs gewährleistet und ein unkompliziertes Ablösen nach Fertigstellung ermöglicht.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein systematischer Versuchsaufbau mit einem selbst entwickelten Zugversuchs-Prüfstand eingesetzt, wobei verschiedene Einflussfaktoren (Material, Temperatur, Distanz) in einer Testmatrix untersucht werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Beschreibung der Testapparatur, die Durchführung von Vorversuchen, die eigentliche Testserie mit diversen Druckbettmaterialien und die Auswertung der Messergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind unter anderem 3D-Druck, Haftung, Adhäsion, FDM, Druckbett, Materialevaluierung und Prozessoptimierung.
Warum ist die Haftung des Objekts auf dem Druckbett so kritisch?
Eine mangelhafte Haftung führt dazu, dass sich Bauteile während des Druckprozesses lösen oder durch Eigenspannungen verformen (Warping), was den Druckabbruch und Materialverlust zur Folge hat.
Ist Bluetape die optimale Lösung für alle Anwendungen?
Obwohl Bluetape zuverlässige Haftung bietet, ist es als Verschleißartikel konzipiert, erfordert hohen Wartungsaufwand beim Erneuern und kann die Oberflächenqualität der Bauteilunterseite beeinträchtigen.
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- Christian Franke (Author), 2015, Identifikation und Evaluierung von Materialien als Druckbettoberflächen in 3D-Druckern, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/344868
