Additive Fertigung Wie Sie mit 3D-Druck glattere Oberflächen erhalten

Von Nikolaus Mroncz*

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Eine glatte Oberfläche gelingt beim 3D-Druck nicht immer auf Anhieb. Das liegt daran, dass entsprechende Verfahren in der Regel schichtweise drucken. Welche Faktoren beim Druckverfahren, dem eigentlichen Druck und der Nachbearbeitung entscheidend sind.

Vom gedruckten Teil (links) bis zum nachbearbeiteten Teil (rechts) hat sich die Oberfläche stark verändert. Hier wurde das Vapour-Verfahren eingesetzt.
Vom gedruckten Teil (links) bis zum nachbearbeiteten Teil (rechts) hat sich die Oberfläche stark verändert. Hier wurde das Vapour-Verfahren eingesetzt.
(Bild: Xometry Europe)

Wichtig ist die Oberflächenqualität vor allem bei funktionalen Anforderungen, etwa wenn Teile zusammenpassen oder beweglich sein müssen. Auch ästhetische Aspekte sind oft ein Grund, wenn eine möglichst homogene und glatte Oberfläche erzeugt werden soll. Dabei hängt die Qualität der Glätte fertig gedruckter 3D-Teile vom Druckverfahren, dem Material, den Nachbearbeitungsvorgängen und anderen sekundären Faktoren ab. Es ist daher sehr sinnvoll, sich bei diesen Einflussgrößen auszukennen.

Als AM-Dienstleister setzt Xometry Europe unterschiedliche Technologien und Materialien ein. Dazu kann das Unternehmen auf ein Netzwerk von etwa 2000 Lieferanten zurückgreifen. Mit dem so erlangten Know-how wurden die folgenden Punkte für glattere Oberflächen zusammengefasst.

Welche Drucktechnologien liefern eine glatte Oberfläche?

Aufgrund des schichtweisen Auftrags beim FDM-Druck und des Durchmessers der Düse liefert FDM häufig keine sehr glatte Oberfläche. Jedoch sind moderne industrielle FDM- Maschinen inzwischen auch zu wesentlich feineren Oberflächen in der Lage. SLS, MJF und DMLS erzeugen eine körnige Oberfläche, was an der pulverförmigen Beschaffenheit der verwendeten Rohstoffe liegt. Unabhängig von der 3D-Drucktechnologie kann man bei gedruckten Teilen durch eine geeignete Nachbearbeitung letztendlich jedoch meistens eine glatte Oberfläche erzielen.

Glatte, druckfertige Teile stellen Sie am besten mit diesen 3D-Drucktechnologien her:

  • SLA-3D-Druck: Der stereolithografische 3D-Druck erzeugt Teile mit der höchsten Genauigkeit und der glattesten Oberfläche unter allen 3D-Drucktechnologien. Obwohl es sich um ein schichtweises Verfahren handelt, liegt das Rohmaterial in der Regel in Form von Harz vor. Dieses verfestigt sich zu einer glatten Oberfläche.
  • Polyjet-3D-Druck: Wie SLA druckt Polyjet Fotopolymere. Die meisten Polyjet-Teile sind in Bezug auf Aussehen und Haptik sofort einsatzbereit. Hauptgrund für diese Geschmeidigkeit ist die Kombination aus ultradünnen Druckschichten und hochwertigem Harz.
  • Carbon DLS: Bei Carbon DLS werden Kunststoffe wie Polyurethan verwendet. Die Oberfläche des so hergestellten 3D-Teils ist so glatt wie Glas. Mit diesem Verfahren entstehen daher tadellose Teile, die Prototypen aus MJF oder SLS ersetzen können. Neben einer hochwertigen Oberflächenbeschaffenheit produziert man mit Carbon DLS auch äußere und innere Details in hoher Qualität.

Diese Faktoren beeinflussen Oberflächen während des Drucks

Bereits während des Drucks gibt es eine Reihe von Faktoren zu beachten, welche die Voraussetzung für eine glatte Oberfläche schaffen:

Extrusionsrate: Gilt für Drucktechnologien, die über Extrusion drucken, etwa FDM. Eine Überextrusion kann auftreten, wenn der Drucker mehr Material extrudiert, als benötigt wird. Im Ergebnis ragen die einzelnen Schichten dann als unregelmäßige Formen aus der Oberfläche heraus. Eine einfache Abhilfe besteht darin, die Extrusionsrate anzupassen. Das Gleiche gilt für eine Unterextrusion.

Materialüberhitzung: Beim Drucken mit der FDM-Technologie spielen die Heiztemperatur und die Abkühlungsrate eine entscheidende Rolle für die Oberflächenqualität. Es ist wichtig, ein angemessenes Gleichgewicht zwischen beiden Faktoren herzustellen. Denken Sie daran, dass der gedruckte Kunststoff unterschiedliche Formen annehmen kann, bevor er abkühlt. Stellen Sie den Drucker immer auf die für das zu Material geeignete Temperatur ein.

Ghosting/Rippling: Dieser Fehler verursacht Wellen auf der Oberfläche des gedruckten Teils. Er tritt auf, wenn sich der Drucker schneller bewegt, als er die Vibrationen der beweglichen Teile verarbeiten kann. Das passiert am häufigsten beim FDM-Druck, weil hier die Maschine vibriert, wenn die Düse Material aufträgt. Um diesen Effekt zu vermeiden, sollten Sie die beweglichen Motoren gut schmieren und alle wackeligen Teile auswuchten.

Glatte Teile in der Nachbearbeitung

Die Nachbearbeitung ist das wirksamste Mittel, um beim 3D-Druck eine glatte Oberfläche zu gewährleisten. Diese lässt sich damit in den meisten Fällen erzielen, unabhängig vom Material oder der Drucktechnologie. Es gibt verschiedene Nachbearbeitungsmethoden, die aber nicht für sämtliche Teile geeignet sind. Die Teilegeometrie und das Material sind die beiden wichtigsten Faktoren, die die Nachbearbeitungsmethoden beeinflussen. Man muss dabei beachten, dass die verschiedenen Methoden zu unterschiedlichen Texturen und Erscheinungsbildern führen.

Glasperlenstrahlen

Bei der Glasperlenstrahl-Technik sprüht ein Druckstrahl winzige Kügelchen (Kunststoff oder Glas) aus einer Düse auf die Oberfläche des Werkstücks. Dadurch werden die Schichtlinien entfernt und es entsteht eine glatte Oberfläche. Auch weist das Endprodukt eine gleichmäßige matte Oberfläche auf. Das Perlstrahlen wird in einer geschlossenen Kammer durchgeführt. Die Technik eignet sich für die meisten FDM-gedruckten Teile und Materialien. Das Kunststoffmedium besteht in der Regel aus fein gemahlenen thermoplastischen Partikeln; die Abrasivität kann von hart bis mild reichen. Ein weiteres beliebtes Material für das Perlstrahlen ist übrigens einfaches Backpulver.

Einer der Vorteile des Perlstrahlens gegenüber dem Schleifen ist die hohe Geschwindigkeit: Das Verfahren nimmt pro Teil etwa fünf bis zehn Minuten in Anspruch. Die exakte Zeit ist abhängig von der Größe. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass die Abmessungen des Teils erhalten bleiben.

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Vapour

Die industriellen Vapour-Anlagen arbeiten in einem mehrstufigen Prozess: Hierbei senkt man zunächst den Druck in den versiegelten Kammern, in denen sich die 3D-Druckteile befinden. Dann nimmt eine beheizte Schale am Boden das hineingepumpte Lösungsmittel auf und wandelt es in Dampf um. Ein Luftzirkulationssystem saugt diesen an und lässt ihn um die Oberfläche des Teils zirkulieren, wo er kondensiert. Dadurch schmilzt die Oberfläche des gedruckten Teils weg und hinterlässt eine glatte Struktur. Die präzise Steuerung von Luftstrom und Temperatur ermöglicht ein Ergebnis ohne übermäßige Glättung.

Es dauert etwa drei Stunden, um das gedruckte Teil unabhängig von der Menge oder Größe in diesem Prozess vollständig zu glätten. Allerdings ist es ein sehr sicheres Verfahren, da die Kammer während des Betriebs verschlossen werden kann. Das kondensierte und nicht verwendete Lösungsmittel fällt zur Wiederverwendung auf den Boden des Tanks.

Vapour eignet sich für Teile aus PA12, ASA, ABS und anderen hochschlagfesten Polystyrolen. Aber auch Polycarbonat und weitere Polymere, die unter dem Lösungsmittel schmelzen, können so geglättet werden. Aceton ist ein Beispiel für ein Lösungsmittel, das beim Dampfglätten verwendet wird.

Dieses Verfahren wird meist bei Konsumgütern angewendet. Der Prozess wirkt sich nicht wesentlich auf die Maßhaltigkeit des 3D-gedruckten Teils aus. Außerdem können die Teile für die Beschichtung oder Folierung mit Perlstrahlen vorbereitet werden. Ein Nachteil des Dampfglättens ist seine mangelnde Vielseitigkeit. Das Verfahren kann keine weiteren Materialien aufnehmen, wie es beispielsweise beim Schleifen oder Perlstrahlen der Fall ist.

Gleitschleifen (Trovalisieren)

Das Gleifschleif-Verfahren, auch bekannt als Trovalisieren, wird in der Regel bei relativ kleinen Teilen eingesetzt. Einige der gebräuchlichsten großen Trommeln sind in der Lage, Teile von 400 x 120 x 120 mm oder 200 x 200 x 200 mm zu bearbeiten. Das ist sehr effektiv bei Werkstücken, die einen hohen Anteil an Metallpulver enthalten.

In nur einer Stunde Polierzeit kann die Glätte von Metalldrucken auf diese Weise exponentiell erhöht werden. Beim Gleitschleifen wird eine horizontale Trommel verwendet, die mit Teilen, Medien, Wasser oder anderen Materialien gefüllt ist. Ein Rüttler dreht die Trommel, so dass das Schleifmaterial (Steine) kontinuierlich über die Teile streicht und sie nach und nach glättet.

Schleifen und Polieren

Beim Schleifen wird nach und nach eine sehr dünne Materialschicht abgetragen, um eine glattere Schicht darunter freizulegen. Eine raue Oberfläche bedeutet, dass einige Punkte auf der Oberfläche höher sind als andere. Beim Schleifen wird diese Fläche mit relativ rauen Materialien wie Schleifmaschinen oder Schleifgeräten geglättet. Das kann von Hand oder mit Hilfe von Bandschleifern geschehen und wird schrittweise durchgeführt. Meistens kombiniert man das Schleifen mit dem Polieren.

Allerdings ist es beim Schleifen schwierig, kleine und komplizierte Geometrien zu glätten. Außerdem kann das Verfahren die Abmessungen eines Teils verändern. Wenn die 3D-Teile sehr enge Toleranzen aufweisen müssen, ist das Schleifen daher möglicherweise nicht die beste Option. Bei der Konstruktion der Teile muss man berücksichtigen, wie viel Material durch das Schleifen entfernt werden soll.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Industry of Things erschienen.

* Nikolaus Mroncz ist als Sales Engineer bei Xometry Europe tätig.

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