Oberflächenrauhigkeit im 3D-Druck verstehen
Die Oberflächenrauheit hat einen erheblichen Einfluss auf die Funktionalität, Ästhetik und Gesamtqualität von 3D-gedruckten Teilen. Ingenieure und Designer müssen wissen, wie sie die Oberflächenrauheit im Fertigungsprozess messen, steuern und optimieren können, um die gewünschten Projektergebnisse zu erzielen.
Das Erreichen einer optimalen Oberflächenglätte ist oft das primäre Ziel bei der Optimierung der Oberflächenrauheit im 3D-Druck, da dies sowohl das Aussehen als auch die Haptik der fertigen Teile verbessert. Teile, die mit der Fused Deposition Modeling (FDM)-Technologie hergestellt werden, weisen in der Regel Schichtlinien auf, die sowohl die Haptik als auch die Optik des Teils beeinträchtigen können.
Dieser Artikel befasst sich mit den kritischen Messgrößen für die Messung der Oberflächenrauheit, Ra und Rz, mit der Frage, wie sich verschiedene 3D-Drucktechnologien auf die Oberflächengüte auswirken, mit den Faktoren, die die Oberflächenrauheit beeinflussen, und mit der Frage, wie sie angepasst und verbessert werden kann.
Was ist Oberflächenrauhigkeit im 3D-Druck?
Die Oberflächenrauhigkeit im 3D-Druck bezieht sich auf die Messung der Textur und der Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche eines 3D-gedruckten Teils. Die Qualität der ersten Schicht und der oberen Oberfläche spielt eine entscheidende Rolle bei der Erzielung einer glatten Oberfläche, da präzise Einstellungen der ersten Schicht und sorgfältige Beachtung der oberen Oberfläche das endgültige Aussehen und die Qualität des Teils erheblich verbessern können.
Sie ist ein kritischer Aspekt des 3D-Drucks, da sie die Ästhetik, Funktionalität und Gesamtleistung des Teils beeinträchtigen kann. Verschiedene Faktoren, darunter der 3D-Druck, die Materialeigenschaften und die Nachbearbeitungstechniken, können eine raue Oberfläche verursachen. Außerdem kann die raue und poröse Oberfläche von 3D-gedruckten Teilen zu einem Nährboden für Bakterien werden und Flüssigkeiten absorbieren, was die Integrität des Teils beeinträchtigen kann.
Eine glatte Oberfläche ist für viele Anwendungen unerlässlich, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und bei medizinischen Geräten, wo die Oberflächenqualität entscheidend ist. Eine glatte Oberfläche ist jedoch nicht immer notwendig. Oft geht es eher um die Ästhetik des Teils, aber sie kann den Komfort und die Erfahrung bei der Verwendung des Teils verbessern.
Verstehen der Ra- und Rz-Werte
Ra (Rauheit Durchschnitt) und Rz (Durchschnittliche maximale Höhe) werden üblicherweise zur Quantifizierung der Oberflächenrauhigkeit verwendet.
- Ra misst die durchschnittliche Abweichung der Oberflächenunregelmäßigkeiten von der Mittellinie und vermittelt einen allgemeinen Eindruck von der Glätte der Oberfläche. Niedrigere Ra-Werte weisen auf glattere Oberflächen hin, die oft bei Anwendungen bevorzugt werden, die ästhetisch ansprechend oder passgenau sein müssen.
- Rz misst den durchschnittlichen Höhenunterschied zwischen den fünf höchsten Gipfeln und den fünf tiefsten Tälern über eine Stichprobenlänge. Während Ra die durchschnittliche Rauheit angibt, erfasst Rz die Extreme und bietet ein detaillierteres Verständnis der Oberflächentextur.
Ra und Rz sind für die Beurteilung der Qualität von 3D-gedruckten Oberflächen von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei der Auswahl der richtigen Technologie und Nachbearbeitungsmethoden zur Erreichung bestimmter Oberflächenanforderungen. Die Messung dieser Werte erfolgt in der Regel durch eine Oberflächenrauheitsprüfung, bei der ein empfindlicher Taststift zur Erfassung der Werte verwendet wird.
Messung der Oberflächenrauhigkeit
Die Messung der Oberflächenrauhigkeit ist für die Bestimmung der Qualität eines 3D-gedruckten Teils entscheidend. Die Extrusionskalibrierung stellt sicher, dass der Drucker genau die gewünschte Menge an Kunststoff extrudiert, um eine Über- oder Unterextrusion zu vermeiden.
Die gängigste Methode ist die Verwendung eines Profilometers, das die Abweichung der Oberfläche von ihrer idealen Ebene misst. Der Ra-Wert (durchschnittliche Rauheit) ist das am häufigsten verwendete Maß für die Oberflächenrauheit, das durch Mittelwertbildung der absoluten Werte der Oberflächenabweichungen berechnet wird. Der Zustand und die Kalibrierung des Druckbetts können sich ebenfalls auf die Messungen der Oberflächenrauheit und die allgemeine Druckqualität auswirken.
Ein niedriger Ra-Wert weist auf eine glattere Oberfläche hin. Andere Methoden zur Messung der Oberflächenrauheit sind die Sichtprüfung, die Tastprüfung und die optische Abtastung.
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Wie sich verschiedene 3D-Drucktechnologien auf die Oberflächenrauheit auswirken
Die Oberflächenrauhigkeit variiert je nach verwendeter 3D-Drucktechnologie erheblich. Jede Methode hat ihre eigenen Vorteile und Grenzen, wenn es darum geht, eine glatte Oberfläche zu erzielen. Die Wirksamkeit von Oberflächenbearbeitungsverfahren kann auch von verschiedenen Materialien und der Teilegeometrie abhängen, da komplexe Formen oder spezifische Materialeigenschaften maßgeschneiderte Ansätze erfordern können.
Laser-Pulverbett-Fusion (LPBF)
LPBF, das üblicherweise für den 3D-Druck von Metallen verwendet wird, neigt dazu, Teile mit relativ rauen Oberflächen zu produzieren, da teilweise geschmolzene Pulverpartikel an der Oberfläche haften. Typische Ra-Werte liegen zwischen 5 und 15 µm, aber diese können durch Nachbearbeitungstechniken wie Bearbeitung oder Polieren reduziert werden. Bei MakerVerse werden alle LPBF-Teile mediengestrahlt, um die Oberflächenrauhigkeit zu minimieren.
PolyJet
Die PolyJet-Technologie ist dafür bekannt, dass sie einige der glattesten Oberflächen im 3D-Druck erzeugt. Bei diesem Verfahren werden Schichten aus flüssigem, durch UV-Licht gehärtetem Photopolymer auf eine Bauplatte gespritzt. Diese feine Auflösung und die glatte Schichtabscheidung führen zu hochwertigen Oberflächen, die sich ideal für Prototypen und Modelle eignen, die eine ausgezeichnete visuelle Qualität erfordern. Die Beschaffenheit der Bauplatte ist wichtig, um eine optimale Oberflächenqualität bei PolyJet-Drucken zu erreichen. Das Auftragen einer dünnen Schicht von schleifbarem Epoxidharz kann die Glätte von PolyJet-Drucken weiter verbessern und kleinere Unebenheiten ausgleichen.
Fused Deposition Modeling (FDM)
FDM wird häufig verwendet für Prototyping und funktionale Teile, kann aber aufgrund sichtbarer Schichtlinien raue Oberflächen erzeugen, wobei die Ra-Werte typischerweise zwischen 10 und 25 µm liegen. Die Rauheit hängt von der Schichthöhe, der Düsengröße und dem Material ab. Die Aufrechterhaltung einer stabilen Temperatur und die Einhausung des Druckers können Verformungen durch ungleichmäßige Kühlung verhindern, insbesondere bei Materialien wie ABS und PETG. Die Einstellung der Schichthöhe zwischen 0,12 mm und 0,2 mm kann die Glätte der oberen Schicht verbessern. Nachbearbeitungsschritte wie Schleifen, chemisches Glätten oder Beschichten sind oft erforderlich, um eine glattere Oberfläche zu erzielen, und die Wahl der Technik sollte auf die verschiedenen Materialien wie ABS, PLA oder PET abgestimmt sein, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Die Beibehaltung der Maßgenauigkeit während der Nachbearbeitung kann jedoch eine Herausforderung sein, insbesondere wenn aggressive Techniken wie das chemische Glätten verwendet werden. MakerVerse bietet kostenloses Strahlen an, um die Oberflächenrauhigkeit zu reduzieren.
Selective Laser Sintering (SLS)
Das SLS-Verfahren, das häufig für haltbare Nylonteile verwendet wird, kann aufgrund des gesinterten Pulvers eine hohe Oberflächenrauheit aufweisen, mit Ra-Werten zwischen 10 und 20 µm. Ungesintertes Pulver, das während des Drucks am Teil haftet, trägt zu dieser Rauheit bei und macht eine Nachbearbeitung für Anwendungen, die eine glattere Oberfläche erfordern, notwendig. Das Oberflächenstrahlen ist bei allen Bestellungen über MakerVerse enthalten.
Multi Jet Fusion (MJF)
MJF bietet eine glattere Oberfläche als SLS, mit typischen Ra-Werten zwischen 5 und 10 µm. Die Verwendung eines Schmelzmittels und von Infrarotlampen trägt zu einer gleichmäßigeren Oberfläche bei, obwohl bei Teilen, die eine sehr glatte Oberfläche benötigen, eine gewisse Nachbearbeitung erforderlich sein kann. Das Strahlen von Medien ist bei MakerVerse kostenlos.
Stereolithographie (SLA)
SLA erzeugt hochwertige, glatte Oberflächen mit niedrigen Ra-Werten. Bei dieser Technologie härtet ein Laser Flüssigharz Schicht für Schicht aus, was zu sehr detaillierten und glatten Oberflächen führt. Der Zustand und die Kalibrierung der Bauplatte sind entscheidend für die bestmögliche Oberflächenqualität von SLA-Drucken. SLA wird häufig bei Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf feine Details und eine hervorragende Oberflächenqualität ankommt.
Wenn Sie den 3D-Druck mit glatter Oberfläche in Erwägung ziehen, sollten Sie bedenken, dass andere Materialien und Technologien möglicherweise spezielle Nachbearbeitungsmethoden erfordern, wie z. B. die Verwendung von Harzen, Lacken oder kundenspezifischen Verbundwerkstoffen, und dass die Teilegeometrie die Wirksamkeit dieser Methoden beeinflussen kann.
Faktoren, die die Oberflächenrauhigkeit beim 3D-Druck beeinflussen
Neben der Art der Herstellung beeinflussen mehrere Faktoren die Oberflächenrauhigkeit von 3D-gedruckten Teilen:
Wahl des Materials: Die Art des beim 3D-Druck verwendeten Materials beeinflusst die Oberflächenrauhigkeit erheblich. Materialien mit feineren Körnern oder glatteren Extrusionseigenschaften erzeugen im Allgemeinen glattere Oberflächen. Zum Beispiel PLA in FDM-Druck führt aufgrund der niedrigeren Drucktemperatur und des geringeren Verzugs oft zu einer glatteren Oberfläche als ABS. Materialien mit gröberen Körnungen können eine raue Oberfläche erzeugen, die zusätzliche Nachbearbeitungsschritte erfordern kann.
Schichthöhe und Auflösung: Die Schichthöhe steht in direktem Zusammenhang mit der Oberflächenrauhigkeit. Kleinere Schichthöhen ergeben feinere Details und glattere Oberflächen, da die Stufen zwischen den Schichten weniger auffällig sind. Die Verringerung der Schichthöhe erhöht jedoch die Druckzeit, was ein zu berücksichtigender Kompromiss ist. Die Druck- und Slicereinstellungen, wie z. B. die Schichthöhe und die Breite der oberen Schichtlinie, spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Oberflächenqualität und -rauheit. Eine ordnungsgemäße Kalibrierung der Z-Achse ist für das Erreichen gleichmäßiger Schichten und einer glatten Oberfläche von entscheidender Bedeutung.
Nachbearbeitungstechniken: Die Nachbearbeitung spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Oberflächengüte von 3D-gedruckten Teilen. Techniken wie Schleifen, Polieren, chemisches Glätten und Strahlen können die Oberflächenrauhigkeit erheblich reduzieren und sowohl die Ra- als auch die Rz-Werte verbessern. Die Nachbearbeitung ist von entscheidender Bedeutung für die Beseitigung von Unebenheiten, die sich aus dem schichtweisen Aufbau des 3D-Drucks ergeben. Verschiedene Oberflächenbearbeitungsverfahren, wie Schleifen und chemisches Glätten, können das endgültige Aussehen und die Funktionalität des gedruckten Teils erheblich verbessern.
Die Qualität der obersten Schicht ist entscheidend für ein professionelles Erscheinungsbild und kann durch die Anpassung der Slicer-Einstellungen, z. B. der Linienbreite und des Musters der obersten Schicht, sowie durch die Überwachung und Feinabstimmung der Druckeinstellungen während des gesamten Prozesses verbessert werden.
Nachbearbeitungsoptionen und Oberflächenveredelungstechniken
- Schleifen und Polieren: Das Schleifen ist eine der am häufigsten eingesetzten Techniken bei der Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Teilen und ist oft arbeitsintensiv und zeitaufwendig. Diese mechanischen Methoden verringern die Oberflächenrauheit, insbesondere bei FDM- und SLS-Teilen. Der Schleifprozess beginnt in der Regel mit grobem Schleifpapier (z. B. Körnung 220), um größere Unebenheiten zu beseitigen, und geht über zu feineren Körnungen bis hin zur Körnung 2000, um eine glasartige Oberfläche zu erzielen. Mit einem Schleifklotz lässt sich beim Schleifen ein gleichmäßiger Druck ausüben, und feineres Schleifpapier ist für die letzten Schritte zur Verfeinerung der Oberfläche unerlässlich.
Nasses Schleifen ist für PLA wichtig, um zu verhindern, dass es sich erhitzt, schmilzt und am Papier klebt. Es ist wichtig, die Oberfläche vor und nach dem Schleifen mit fusselfreien Tüchern zu reinigen, um Staub und Verunreinigungen zu vermeiden. Nach dem Schleifen wird oft poliert, um eine hochglänzende Oberfläche zu erhalten. Das Auftragen einer Polierpaste nach dem Schleifen kann den Oberflächenglanz weiter verbessern. Das Polieren kann das Teil weiter aufwerten und eine glänzende, ästhetisch ansprechende und funktionelle Oberfläche schaffen.
- Chemische Glättung: Chemische Behandlungen sind eigenschaftsverändernde Nachbearbeitungsmethoden, die die Oberfläche und die mechanischen Eigenschaften von 3D-Druckteilen verändern. Bei diesem Verfahren wird das Teil einem Lösungsmitteldampf ausgesetzt. Es wird häufig für Polymerdrucke, insbesondere für ABS, verwendet. Aceton-Dampfglättung ist eine gängige Methode zur Glättung von ABS-Drucken, bei der das Teil in einem Behälter mit Acetondampf versiegelt wird, um die Oberfläche zu schmelzen und zu glätten. Das Glätten mit Acetondampf ist bei ABS-Drucken sehr effektiv, birgt aber bei unsachgemäßer Handhabung Gesundheitsrisiken. Isopropylalkohol kann zum Glätten bestimmter Filamenttypen wie PVB und PolySmooth™ PLA verwendet werden. Beim chemischen Tauchen werden die Teile in ein chemisches Bad getaucht, das die Oberfläche abträgt. Chemisches Dampfglätten ist eine hochentwickelte Nachbearbeitungsmethode, um eine polierte Oberfläche zu erzielen.
Zu den Gefahren chemischer Glättungsmethoden gehören Entflammbarkeit und Toxizität. Daher ist es unerlässlich, eine angemessene Schutzausrüstung zu tragen, einschließlich Handschuhen und einer Staubmaske, und diese Verfahren in einem gut belüfteten Bereich durchzuführen. Lokales Schmelzen ist eine einfache Methode, um das Erscheinungsbild von Oberflächenkratzern zu verringern, die durch Beschädigungen oder das Entfernen von Trägern entstanden sind, aber es ist nicht effektiv für tiefe Kratzer.
- Dampfglättung ist eine spezielle Art des chemischen Glättens für Materialien wie ABS. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche einem Dampf ausgesetzt, der die oberen Schichten schmilzt und glättet, was zu einer glatteren Oberfläche führt.
- Media Blasting: Bei dieser Technik wird das Teil mit Strahlmitteln bestrahlt, um die Oberflächenstruktur zu glätten. Es ist wirksam zur Verringerung der Rauheit bei SLS und MJF-Teile.
- Elektropolieren: Elektropolieren ist ein Standardverfahren für 3D-gedruckte Metallteile zur Verringerung der Oberflächenrauhigkeit. Dabei wird eine dünne Materialschicht entfernt, wodurch sowohl die Ra- und Rz-Werte als auch das Gesamterscheinungsbild des Teils verbessert werden. Es können auch andere Materialien und Beschichtungen für die Endbearbeitung verwendet werden.
Die additive Nachbearbeitung ist eine weitere Methode zur Glättung und Verstärkung von Teilen durch Hinzufügen von Material direkt auf die gedruckte Oberfläche. Primer bereiten 3D-gedruckte Teile auf das Auftragen der nachfolgenden Schichten vor, indem sie die Oberfläche für eine bessere Haftung vorbehandeln. Sprühbeschichtungen, einschließlich Sprühfarben, Lacke, Harze, Kunststoffe und Gummis, sind als Finishing-Optionen erhältlich. Beim Folieren oder Vinyl-Wrapping wird eine Klebefolie aus Leichtmetall oder Kunststoff zur Oberflächenveredelung auf ein Objekt gewickelt.
- Wärmebehandlung: Durch eine Wärmebehandlung können Oberflächenmängel mit einer Heißluftpistole oder einem Ofen bei niedrigen Temperaturen geglättet werden. Eine Heißluftpistole arbeitet bei niedrigen Temperaturen (ca. 75 °C) und sollte in einem Abstand von 15-20 cm verwendet werden, um Oberflächenfehler zu glätten, ohne Verformungen zu verursachen. Bei PLA hilft eine Wärmebehandlung in einem Ofen bei niedriger Temperatur (ca. 40 °C), Verformungen zu vermeiden. Sanftes Schleifen ist bei speziellen Materialien wichtig. Das Entfernen von überschüssigem Material während des Drucks hilft, raue Oberflächen zu vermeiden. Eine bessere Haftung zwischen den Schichten durch die Verwendung von Primern und die Verlangsamung der Druckgeschwindigkeit verbessert die Oberflächengüte. Bestimmte Materialien lassen sich mit bestimmten Methoden leicht glätten, daher ist die Auswahl der richtigen Glättungsmethode je nach Material und Teilegeometrie entscheidend. Manuelle Nachbearbeitungsmethoden sind oft zeitaufwändig und arbeitsintensiv.
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