BFFT Techblog März: 3D-Druck Kombination Flexibler und Fester Filamente
01.02.2018

BFFT Techblog: 3D-Druck-Kombination flexibler und fester Filamente

Thema: Die Kombination von verschiedenen Materialien (Filamente) zum Druck eines Objektes mit neuen Eigenschaften. – Wie können 3D-Druck-Materialien mit unterschiedlicher Flexibilität eingesetzt werden, um neue Einsatzszenarien für vollständig gedruckte Teile aufzuzeigen.

Ausgangsbasis: Als Basis für diesen Versuch dient ein 3D-Drucker, der mit Hilfe des FDM1-Verfahrens Teile aus Thermoplastischen Materialien fertigt. Der verwendete Drucker besitzt zwei Druckköpfe und kann deshalb mit zwei unterschiedlichen Ausgangsmaterialien bestückt werden.

Diese Konfiguration wird häufig dafür genutzt Teile, entweder in mehr als einer Farbe zu drucken, oder um lösbare Stützmaterialien zu verwenden, die sich nach dem Druck vom eigentlichen Druckobjekt über ein Lösungsmittel entfernen lassen.

In der linken Abbildung sind 3D-Druck-Teile zu sehen die zweifarbig hergestellt wurden. In der rechten Abbildung ist die Verwendung von Stützmaterial gezeigt. Stützmaterial ermöglicht den Druck von überhängenden Features.

 Abbildung 1: Mehrfarbiger 3D-Druck2                                 Lösliches Stützmaterial3

Die gängigen Filamente für den 3D-Druck sind ABS4 und PLA5. Diese thermoplastischen Kunststoffe werden für formstabile Objekte eingesetzt, erlauben einen sauberen Druck und sind im Handling unkompliziert. PLA ist ein relativ spröder Kunststoff. Er verformt sich bei mechanischer Belastung wenig, bevor es zu einem Bruch kommt. ABS ist in der Hinsicht etwas duktiler. Es ist elastischer und verformt sich stärker wie PLA, bricht allerdings bei Überlastung ebenfalls.

Flexible 3D-Druck Filamente sind Gummi-ähnliche thermoplastische Materialien die eine deutlich höhere Elastizität und wesentlich höhere Dehnungsraten aufweisen als die „Standard“-Filamente. Die Verbindung zwischen den einzelnen Schichten eines gedruckten Teils (Layer Adhäsion) ist mit diesem Filament um ein Vielfaches stabiler und auch mechanisch sind die Objekte deutlich belastbarer. Bei einem Schlag kann sich das Objekt so beispielsweise zunächst verformen, ohne zu brechen.

Durch die Kombination aus festem und flexiblem Material können die positiven Eigenschaften der Ausgangsfilamente gezielt an kritischen Stellen, im zu druckenden Objekt genutzt werden.

Ein Beispiel hierfür ist die Konstruktion eines Gehäuses, bei dem die Oberfläche aus flexiblem und der Kern aus festem Filament bestehen.

Ein vollständig aus flexiblem Material gedrucktes Gehäuse wäre zwar mechanisch belastbar und ohne Werkzeug kaum zerstörbar. Doch eben durch die Elastizität eignet sich ein solches Teil nicht für den Einsatz als Gehäuse. Es ist nicht formstabil und lässt sich schon mit leichten Druck verformen.

Ein Gehäuse vollständig aus einem festen Material gedruckt ist formstabil, kann aber bei mechanischen Einflüssen brechen, wie beispielsweise einem Fall zu Boden.

Besteht die Oberfläche aus dem flexiblen Material und im Inneren kommt ein festes zum Einsatz kann so eine Formstabilität erreicht werden die durch das flexible Material zusammengehalten und vor Einschlägen von außen geschützt wird.

Abbildung 2: 3D-Modell vom Testobjekt

Für den Versuch wurde ABS als festes Material gewählt, da die Schmelztemperatur ähnlich der des flexiblen Materials ist. So soll eine möglichst gute Verbindung der beiden Materialien gewährleistet werden. Für den Versuch wird eine Gehäuseschale mit 40 mm Kantenlänge, 15 mm Höhe und 4 mm Wandstärke verwendet.

Abbildung 3: Flexible und feste Gehäuseschale

Zum Vergleich wird das Test-Objekt aus den beiden Ausgangsmaterialien gedruckt. Die Druckeinstellungen unterscheiden sich lediglich in den verwendeten Temperaturen. Das ABS Teil wird mit 245° C an der Düse und 105° C am Druckbett gedruckt. Für das flexible Teil sind 220° C Düsentemperatur und 70° C für das Druckbett notwendig. Äußerlich unterscheiden sich die beiden Teile nicht merklich.

Abbildung 4: Flexible und feste Gehäuseschale 2

Die flexible Gehäuseschale lässt sich mit wenig Kraftaufwand temporär bis zur Unkenntlichkeit verformen, ohne dass bleibende Schäden an der Struktur entstehen. Die Gehäuseschale aus dem ABS-Material lässt sich von Hand überhaupt nicht merklich verformen. Im Weiteren lassen sich die Außenwände der flexiblen Gehäuseschale eindrücken. Auch das ist bei dem ABS-Teil nicht möglich.

Abbildung 5: Verformungstest der flexiblen und festen Gehäuseschale

Für die Kombination der beiden Materialien sind je nach verwendeter Slicer6-Software Anpassungen an dem Basis-Design notwendig, um je ein 3D-Model für die Hülle und den Kern zu erzeugen. Für diesen Versuch wird Der Simplify3D-Slicer7 verwendet. Dieser unterstützt die Auswahl von verschiedenen Extrudern für unterschiedliche Features des 3D-Models. So kann für die Perimeter (Hülle des Models) ein anderer Extruder gewählt werden, wie für das Infill (Kern des Models). Die genauen Einstellungen befinden sich in der Abbildung unten.

Abbildung 6: Einstellungen im Simplify3D-Slicer

Bei der Temperatur für das Druckbett muss ein Kompromiss eingegangen werden. Da für den Versuch als zweites Material ABS verwendet werden soll bleibt das Druckbett bei 105° C, um das Risiko der Verformung während des Drucks möglichst klein zu halten.

Abbildung 7: Erstellter Maschinencode (Blaue Färbung: flexibles Material, Grüne Färbung: festes Material)

Rein äußerlich ist erneut kein großer Unterschied zu den anderen Gehäuseschalen ersichtlich. Bei Belastung lässt sich das Teil verformen, ohne zu brechen. Bei einer starken Verformung ist spürbar, dass im Inneren das Material bricht. Das Teil nimmt nach der Beanspruchung wieder seine Ursprungsform an und die Struktur ist nicht sichtbar beschädigt. Auswirkungen auf die Stabilität oder Flexibilität der Wand sind subjektiv nicht bemerkbar.

Abbildung 8: Übersicht der drei Materialen & Verformungstest der kombinierten Gehäuseschale

Im nächsten Test wird eine Beschädigung mit Hilfe einer Zange herbeigeführt. Hier kann bei dem flexiblen Teil die Wand vollständig eingedrückt werden. Nach dem Entfernen der Zange kehrt die Wandung wieder in die ursprüngliche Form zurück und es sind lediglich die Abdrücke der Zange zu erkennen. Bei dem ABS-Teil ist die Verformung deutlich erkennbar und bleibt dauerhaft bestehen. Die Kombination aus ABS- und Flexmaterial lässt nur den Abdruck der Zange und eine leichte Ausbeulung an der oberen Fläche zurück.

Abbildung 9: Verformungstest mit Werkzeug

Durch einen stumpfen Schlag werden die Teile im nächsten Test an ihre Grenzen gebracht. Wieder kehrt das flexibel gedruckte Teil vollständig in seine Ursprungsform zurück, das Teil aus ABS bricht und verformt sich dauerhaft.

Die Kombination aus ABS und flexiblem Material zeigt hier wieder deutliche Vorteile auf. Der Schlag wird abgefedert und die Gehäuseschale bricht nicht. Es bleibt lediglich eine minimale Verformung bestehen. Auch hier ist wieder subjektiv keine Veränderung der Stabilität oder Flexibilität gegenüber dem unbeschädigten Teil feststellbar.

Abbildung 10: Schlagtest mit stumpfen Gegenstand

Zusammenfassung

Der Versuch hat gezeigt, dass es möglich ist flexibles und festes Material in einem 3D-gedruckten Teil zu verwenden. Werden die Parameter und Teilbereiche des zu druckenden Objektes passend zu den Materialien gewählt, ist es möglich Strukturen zu drucken, die Eigenschaften von beiden Ausgangsmaterialien vereinen können. So ist es möglich stabile und schlagfestere Objekte zu drucken als es mit den ursprünglichen Materialien möglich gewesen wäre.

Auch für andere Anwendungsszenarien ist die Kombination aus fest und flexibel durchaus interessant. So könnten beispielsweise Scharniere oder Dichtungen direkt in die zu druckenden Teile eingebettet werden. Auch im automotive-Bereich ist der Einsatz des kombinierten Materials denkbar (z.B. Teile für Protoypenfahrzeuge).

 

1.   https://de.wikipedia.org/wiki/Fused_Deposition_Modeling

2.   https://airwolf3d.com/2014/09/12/multi-material-3d-printer

3.   https://pinshape.com/blog/wp-content/uploads/2015/09/dissolvable-filament.jpg

4.   https://de.wikipedia.org/wiki/Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer

5.   https://de.wikipedia.org/wiki/Polylactide

6.   https://en.wikipedia.org/wiki/3DSlicer

7.   https://www.simplify3d.com/


Autor: Alexander K. (Entwicklung Konzepte & Tooling)
Kontakt: techblog@bfft.de 
Bildquellen: Alexander K. und siehe Quellenverzeichnis


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