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3D-Kunststoffdruck

Sechs typische Probleme und wie diese gelöst werden

| Autor/ Redakteur: Matthias Katschnig / Simone Käfer

Auch bei erfahrenen Anwendern kommt das FFF-Bauteil nicht immer so aus dem 3D-Drucker wie geplant. Hage3D hat die typischen Fehler in der Additiven Fertigung und wie man sie beheben kann zusammengefasst.

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Was mag da wohl schief­gelaufen sein? Hage3D hat die häufigsten Probleme beim 3D-Kunststoffdruck zusammengefasst.
Was mag da wohl schief­gelaufen sein? Hage3D hat die häufigsten Probleme beim 3D-Kunststoffdruck zusammengefasst.
(Bild: ©science photo - stock.adobe.com)

Probleme bei der ersten Schicht (engl. first-layer quality)

Ein häufiger Fehler in der Werkstoffextrusion ist der inkorrekte Abstand der Düsenspitze zum Druckbett während die erste Schicht gedruckt wird. Ist die Düse zu nahe am Druckbett, ergibt sich ein zu hoher Werkzeuggegendruck und es findet keine Extrusion statt (Düsenverschluss), ist die Düse zu weit weg, ergibt sich eine unzureichende Erstschichthaftung. Der Werkzeugnullpunkt (= Düsenspitze) muss bei temperierter Düse und Z = 0 mm das ebenfalls temperierte Druckbett (= Werkstücknullpunkt) berühren. Dies zu bewerkstelligen ist Aufgabe des „Abnullens“ vor Druckbeginn. Es kann aber auch sein, dass trotz korrektem Düsenabstand keine Erstschichthaftung erreicht wird. Dies ist dann auf die fehlende Kompatibilität zwischen Werkstoff und Druckbett zurückzuführen. Für eine gute Adhäsion werden als Universal-Druckbettwerkstoff Polyetherimid (PEI) und eine Druckbettheizung empfohlen.

Zu viel oder zu wenig Kunststoff: Über- oder Unterextrusion (engl. over-/under-extrusion)

Eine typische Überextrusion entsteht, wenn im Verhältnis zum benötigten Schichtvolumen ein zu großer Volumenstrom gedruckt wurde. Es wird zu viel Material ausgedruckt, das Bauteil wird überladen. Das Gegenteil ist eine Unterextrusion, die zu fehlender Schichthaftung oder nicht geschlossenen Flächen führt. Abhilfe schaffen ein korrekt eingestellter Extrusionsmultiplikator, ein gut justierter Fördermechanismus und geringe Filamentdurchmesser-Toleranzen.

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Glossar
Werkstoffextrusion – FLM – FFF – FDM

Die Werkstoffextrusion (Begriff nach EN ISO/ASTM 52900, Edition 2017) ist eine extrusionsbasierte Teildisziplin der Additiven Fertigung. Durch die Werkstoffextrusion können unterschiedlichste Formmassen verarbeitet werden, wie Granulate oder Filamente. Wenn die Verarbeitung auf Filamenten basiert, wird die Technologie auch FFF (Fused Filament Fabrication), FDM (Fused Deposition Modeling) oder FLM (Fused Layer Modeling, Begriff nach VDI 3405) genannt. Der Werkstoff wird im Schmelzezustand (Heißextrusion) oder im pastösen Zustand (Kaltextrusion) durch eine Düse gefördert und strangweise abgelegt. Die Werkstoffextrusion besitzt im Vergleich zu anderen additiven Verfahren die Vorteile des kompakten Prozesses, der Materialoffenheit, der hohen Druckvolumina und des Potenzials zur Mehrfach­extrusion (Hybridbauteile et cetera).

Schichten lösen sich ab: Delaminationen (engl. splitting)

Bei der Werkstoffextrusion wird das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut. Geschieht dies bei zu geringen Drucktemperaturen oder zu großer Schichthöhe bezogen auf den Düsendurchmesser, kann es zu Delaminationen kommen. Empfohlen wird ein Schichthöhe-Düsendurchmesser-Verhältnis von 0,5 und eine Drucktemperatur im oberen Bereich des Filament-Datenblattwertes.

Lokale Überhitzungen (engl. overheating)

Lokale Überhitzungen treten dann auf, wenn der Wärmeeintrag zu groß oder die Abkühlzeit zu kurz ist, um den Kunststoff geometriegerecht erstarren zu lassen. Dies geschieht oft bei hoher Auflösung oder kleinen Geometriedetails, bei denen die heiße Düse über längere Zeit lokal begrenzt verfährt. Abhilfe schaffen eine Verringerung der Drucktemperatur, eine Drosselung der Druckgeschwindigkeit und eine aktivierte Bauteilkühlung. Die Bauteilkühlung stellt über eine erzwungene Konvektion eine ausreichende Wärmeabfuhr sicher.

Verzug (engl. warpage)

Ein Verzug des Bauteils entsteht durch Abkühlspannungen aufgrund lokal unterschiedlicher thermischer Verhältnisse im Bauteil während des Druckprozesses. Gerade große Bauteile inklusive inhomogener Massenverteilungen, aber auch manche Kunststoffe wie Polypropylen oder Polycarbonat neigen zu deutlichem Verzug. Die Lösung liegt entweder in der Herstellung geringer Temperaturgradienten im Bauteil während des Druckprozesses (hohe Druckbetttemperatur beziehungsweise Bauraumtemperierung) oder im „Niederspannen“ des Bauteils durch gute Druckbetthaftung.

Fädenziehen (engl. stringing, oozing)

Das Fädenziehen zwischen unterschiedlichen Bauteilelementen entsteht typischerweise, wenn die inaktive, aber heiße Düse zu einem neuen Ansatzpunkt fährt und es dabei zu einem Nachfließen der Kunststoffschmelze kommt. Abhilfe schafft hier eine Druckentlastung der inaktiven Düse durch einen Dekompressionshub des Filaments, auch Retraktion des Filaments genannt. Zudem kann die Schmelzeviskosität verringert werden, indem die Drucktemperatur gesenkt wird. Eine weitere Lösung ist das sogenannte coasting, hier wird am Schichtende mit reduziertem Volumenstrom gefahren. Oder am Schichtende wird die Düse ausgestrichen und gleichzeitig ein Dekompressionshub durchgeführt (wiping). Ein Nachteil des Wipings besteht darin, dass sich die Druckzeit verlängert.

Umfrage zum Postprocessing Für MM Maschinenmarkt planen wir einen Artikel zum Thema „Nachbearbeitung 3D-gedruckter Teile”. Folgende Fragen hätten wir an Sie als Anwender:
  1. Wie erfolgt bei Ihnen die Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile?
  2. Welcher Nachbearbeitungsschritt erfordert den höchsten Aufwand?
  3. Was haben Sie bisher unternommen, um den Nachbearbeitungsaufwand zu senken?
  4. Was planen Sie in näherer Zukunft, um den Nachbearbeitungsaufwand zu senken?
  5. Welche Möglichkeiten zur Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile vermissen Sie bei den aktuell erhältlichen Maschinen und Verfahren?
Haben Sie bereits Erfahrungen als Anwender und sind Sie bereit, sich auch in einem Zeitschriftenartikel zitieren zu lassen? Dann senden Sie Ihre Antworten, gerne zusammen mit einem Porträtfoto an: Stéphane Itasse und Simone Käfer. Vielen Dank im Voraus für Ihre Unterstützung!

* Matthias Katschnig ist F&E-Leiter von Hage3D in 8020 Graz (Österreich), Tel. (00 43-6 64) 8 34 93 94, m.katschnig@hage3d.com

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