Wie eine glatte Oberfläche im 3D-Druck erzeugt wird

In diesem Artikel betrachten wir die Faktoren, die die Glattheit von 3D-gedruckten Teilen beeinflussen, und wie diese hohen Grade an Glattheit erreicht werden.

Bauteile mit einer glatten Oberflächenbeschaffenheit werden oft im 3D-Druck gewünscht. Diese Eigenschaft kann ein funktionales Erfordernis im Hinblick auf die Endanwendung darstellen, oder eine ästhetische Notwendigkeit darstellen. Anwendungen, bei denen die Glattheit ein funktionales Erfordernis darstellen kann, könnten zum Beispiel Verbindungsstücke, bewegliche Teile, kraft-/lasttragende Oberflächen usw. sein.

Obwohl der 3D-Druck normalerweise ein Schicht-für-Schicht-Prozess ist, ist die additive Fertigung in der Lage relativ glatte Oberflächen zu drucken. Jedoch hängt die Glattheit der Oberfläche von vielen Faktoren wie dem Druckprozess, dem Material, den Nachbearbeitungsschritten und weiteren sekundären Faktoren ab, die in diesem Artikel näher erläutert werden sollen.

3D-Drucktechnologien mit einem glatten Oberflächenfinish

Aufgrund des Schicht-für-Schicht-Drucks im FDM-Druck und des Durchmessers der verwendeten Düsen produziert FDM nicht immer eine einheitlich glatte Oberfläche. Nichtsdestotrotz sind moderne industrielle FDM-Anlagen in der Lage viel feiner strukturierte Oberflächen zu erzeugen.

SLS, MJF und DMLS erzeugen hingegen eine eher körnige Oberfläche, die aus der pulvrigen Art der in dieser Technologie verwendeten Rohmaterialien resultiert. Unabhängig von der verwendeten 3D-Druck Technologie kann eine glatte Oberfläche von gedruckten Bauteilen jedoch immer durch die Anwendung von Nachbearbeitungsschritten erzeugt werden.

Es gibt jedoch verschiedene 3D-Druck Technologien, die in der Lage sind, bereits glatt gedruckte Teile zu erzeugen. Diese betrachten wir im Folgenden.

SLA 3D-Druck

Stereolithografischer 3D-Druck erzeugt Bauteile mit der höchsten Genauigkeit und der glattesten Oberflächenbeschaffenheit aller 3D-Drucktechnologien. Obwohl in diesem Prozess das Rohmaterial Schicht für Schicht aufgebracht wird, verhärtet sich das verwendete Harz zu einer glatten Oberfläche.

Polyjet 3D printing

Wie der SLA-Druck verwendet auch das Polyjet-Verfahren Fotopolymere. Die meisten Polyjet-Teile sind in ihrer unbehandelten gedruckten Form bereits im Hinblick auf Aussehen und Haptik für die Anwendung geeignet. Der Grund für die Glattheit ist eine Kombination aus extrem dünnem Schichtdruck und den verwendeten hochqualitativen Harzen.

Carbon DLS

Carbon DLS verwendet harzartige Materialien wie Polyurethan. Die mit dieser Methode gefertigten 3D-gedruckten Teile haben eine Oberflächenbeschaffenheit, die der von Glas ähnelt. Dieser Prozess erzeugt einwandfreie Bauteile, die Prototypen aus dem MJF- oder SLS-Druck ersetzen können. Zusätzlich zur hochwertigen Oberflächenbeschaffenheit bildet Carbon DLS innere und äußere Details perfekt ab.

FDM SLA MJF surface finish comparison
Vergleich 3D-gedruckter Bauteile: FDM (Links), SLA (Mitte) and MJF (Rechts)

3D-Druckmaterialien mit einer glatten Oberfläche

Betrachtungen hinsichtlich der Glattheit des verwendeten Materials erfolgen in der Regel zusammen mit der Abwägung des verwendeten Druckprozesses. Wobei jedoch der Prozess in den meisten Fällen den ausschlaggebenden Faktor darstellt. Thermoplastik, Duroplast (thermofixierte Harze), Fotopolymere und Polyurethane sind typische Materialien für den 3D-Druck mit einem einer glatten Oberflächenbeschaffenheit.

Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass die Glattheit in den seltensten Fällen das einzige Kriterium für die Auswahl eines Materials darstellt. Andere Faktoren wie die Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und die resultierende Genauigkeit müssen ebenfalls in Betracht gezogen werden.

Die Glattheit durch Nachbearbeitung verbessern

Die Nachbearbeitung ist der effektivste Weg um eine glatte Oberflächenbeschaffenheit im 3D-Druck zu gewährleisten. In den meisten Fällen kann die Nachbearbeitung verwendet dazu verwendet werden, die gewünschte Glattheit eines Bauteils ganz unabhängig vom verwendeten Material oder der Drucktechnologie zu erreichen.

Es gibt verschiedene Nachbearbeitungsschritte, die nicht immer alle für alle Bauteile geeignet sind. Die Geometrie der Teile und die verwendeten Materialien sind zwei der wichtigsten Faktoren, die die verwendeten Nachbearbeitungsschritte beeinflussen. Es ist wichtig zu wissen, dass verschiedene Methoden unterschiedliche Texturen und Aussehen erzeugen.

Perlenstrahlen

Die Perlenstrahltechnik beinhaltet das Besprühen durch einen Druckstrahl mit kleinen Perlen eines Mediums (Glas oder Plastik) aus einer Düse direkt auf die Oberfläche eines Bauteils. Dies trägt die Schichtlinien ab und hinterlässt eine glatte Oberfläche. Darüber hinaus erhält das Endprodukt eine einheitlich matte Oberfläche. Das Perlenstrahlen erfolgt in einer geschlossenen Kammer. Bei 3D-gedruckten Teilen werden dabei häufiger Kunststoffperlen verwendet. Diese Oberflächenbearbeitungstechnik funktioniert mit den meisten FDM-gedruckten Bauteilen und den entsprechenden verwendeten Materialien.

Das Kunststoffmedium besteht dabei üblicherweise aus feinen, wieder zermahlenen Partikeln aus Thermoplastik; dessen Schleifwirkung reicht von stark bis sanft. Ein weiteres beliebtes Material für das Perlenstrahlen ist Backpulver.

Einer der Vorteile des Perlenstrahlens gegenüber dem Sandstrahlen sit die Geschwindigkeit. Der Vorgang braucht pro Teil nur fünf bis zehn Minuten. Wobei die Dauer von der Größe des Teils abhängig ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Perlenstrahlen die Abmessung des Bauteils bewahrt.

MJF Nylon PA12 parts comparison: as printed vs. bead blasted
Vergleich eines MJF Nylon PA12 Teils: gedruckt (Links) gg. perlengestrahlt (Rechts)

Vapour Smoothing (Chemische Dampfglättung)

Ein industrielles Dampfglättungsgerät nutzt einen mehrstufigen Prozess. Es senkt den Druck im Inneren einer versiegelten Kammer mit den 3D-gedruckten Teilen. Darauf folgend, wird ein Lösemittel auf eine beheizte Platte am Boden der Kammer gepumpt, welches daraufhin verdampft. 

Ein Umluftsystem saugt die entstehenden Dämpfe an und zirkuliert sie um die Oberflächen der Bauteile, auf denen die Dämpfe kondensieren. Dadurch schmilzt die Oberfläche des gedruckten Teils und hinterlässt eine glatte Oberfläche. Eine präzise Steuerung des Luftstroms und der Temperatur ist unerlässlich für die Vermeidung einer übermäßigen Glättung.

Dieser Prozess dauert ungefähr drei Stunden, um die gedruckten Teile, unabhängig von ihrer Anzahl und Größe, vollständig zu glätten. Außerdem ist die Sicherheit von höchster Relevanz, weshalb die Kammer für die Erzeugung des Vakuums verriegelt wird. Ungenutztes kondensiertes Lösungsmittel tropft dabei auf den Boden des Behälters und wird wiederverwendet.

Die Dampfglättung kann für Teile aus ASA, ABS und anderen hoch schlagfesten Polystyrolen (HIPS) verwendet werden. Zudem können Polkarbonate und andere Polymere, die unter Einfluss des verwendeten Lösungsmittels schmelzen, geglättet werden. Aceton ist ein typisches Beispiel für ein Lösungsmittel, das in der Dampfglättung verwendet wird. 

Dampfglättung wird üblicherweise bei Konsumgütern angewendet. Der Prozess beeinflusst dabei die Abmessungen des 3D-gedruckten Teils nicht signifikant. Darüber hinaus können Teile durch die Nachbehandlungsschritte für Beschichtungsprozesse vorbereitet werden.

Ein Nachteil der Dampfglättung ist der Mangel im Hinblick auf die Vielfalt. Der Vorgang kann, im Gegensatz zum Sand- oder Perlenstrahlen, nicht an eine große Anzahl an Materialien angepasst werden.

MJF Nylon PA12 parts comparison: as printed vs. black spay painted and vapor fused
Vergleich eines MJF Nylon PA12 Teil: gedruckt (Links) gg. dampfgeglättet mit schwarzem Sprühlack (Rechts)

Trommelpolieren

Die Trommelpoliturtechnik wird normalerweise für relativ kleine Teile verwendet. Einige der am weitesten verbreiteten Trommeln sind in der Lage Teile von 400x120x120mm oder 200x200x200mm zu behandeln. Diese Behandlung ist besonders effektiv bei Teilen, die einen hohen Prozentsatz an Metallpulvern beinhalten.

In nur einer Stunde kann die Glattheit von metallischen gedrucktne Teilen exponentiell verbessert werden. Der Trommelpolierprozess nutzt eine horizontal liegende Trommel, die mit den Teilen, einem Medium, Wasser und ggf. anderen Materialien gefüllt wird. Ein Vibrationsmotor rotiert die Trommel, und bewirkt, dass das Medium (z.B. Steine) kontinuierlich über die Bauteile streicht und es fortlaufend glättet.

MJF Nylon PA12 parts comparison: as printed (left) vs. tumbled (right)
Vergleich eines SLS Nylon PA11 Teils: gedruckt (Links) gg. trommelpoliert (Rechts)

Schleifen und Polieren

Schleifen ist ein Prozess, bei dem fortwährend eine sehr dünne Schicht des Materials abgetragen wird, um eine glattere Schicht darunter freizulegen. Eine raue Oberfläche bedeutet einfach nur, dass einige Punkte der Oberfläche höher liegen als andere. Das Schleifen ist ein Prozess, bei dem die Oberfläche ausgeglichen wird, indem relativ raue Materialien zum Schleifen und Schmirgeln verwendet werden.

Dies kann sowohl per Hand erfolgen, oder aber auch mithilfe von Bandschleifgeräten, und erfolgt fortwährend. Schleifen erfolgt oft zusammen mit dem Polieren.

Eine der Schwächen des Schleifens ist die Schwierigkeit, kleine und diffizile Formen zu glätten. Außerdem kann das Schleifen die Abmessungen eines Bauteils verändern. Falls sehr enge Toleranzen eingehalten bei 3D-gedruckten Bauteilen eingehalten werden müssen, ist das Schleifen ggf. nicht die beste Wahl. Bei der Entwicklung der Teile muss der Abtrag durch das Schleifen mit einbezogen werden.

Vergleich der Nachbearbeitungsoptionen für eine glatte Oberfläche im 3D-Druck

Nach-
bearbeitung
Geeignete 3D-Druck Technik Vorteile Erwägungen
Perlen-
strahlen
SLS, MJF • Bewahrung der
Abmessung des Teils
• Verwendung zusätzlicher
Materialien
Dampf-
glätten
MJF, SLS • Glänzende Oberflächen • Mangelnde
Vielfalt der Materialien
Trommel-
politur
DMLS, SLS, MJF • Sehr gut für kleine
Bauteile
• Teilgröße ist begrenzt
• Zeitaufwändig
Schleifen und Polieren FDM, DMLS • Gut für unebene und raue Oberflächen
• Politur kann glänzende Oberflächen erzeugen
• Beeinflusst die Abmessungen der Teile
• Ungeeignet für Teile mit engen Toleranzen
• Nicht geeignet für Teile mit schwierigen Formen

Einflussfaktoren auf glatte Oberflächen während des Druckes

Es folgen einige Faktoren, die die Glattheit eines 3D-gedruckten Teils während des Druckes beeinflussen können.

Extrusionsrate

Dieser Faktor ist nur auf Druckverfahren anzuwenden, die über Extrusion drucken, wie zum Beispiel FDM. Eine Überextrusion kann dann auftreten, wenn der Drucker zu viel Material extrudiert. Daraus resultierend wird der Druck Schichten aufweisen, die als unregelmäßige Form aus der Oberfläche ragen. Die einfachste Lösung ist es, die Extrusionsrate zu verringern. Ähnliches gilt für die Unterextrusion.

Materialüberhitzung

Beim Druck mit der FDM-Technik spielt die Aufheiztemperatur und Abkühlungsrate eine wichtige Rolle für die Oberflächenqualität. Es ist wichtig, dass eine angemessene Balance zwischen den Beiden eingehalten wird. Man sollte nie vergessen, dass sich der gedruckte Kunststoff beim während des Abkühlungsprozesses verformen kann. Der Drucker sollte deshalb immer auf die richtige Temperatur für das gedruckte Material eingestellt werden.

Ghosting / Rippling

Dieser Art von Fehlern entstehen durch Schwingungen an der Oberfläche des gedruckten Teils. Sie treten auf, wenn der Drucker mit einer höheren Geschwindigkeit fährt, als er die Vibrationen der beweglichen Teile abdämpfen kann. Dies betrifft insbesondere den FDM-Druck bei dem die Geräte vibrieren, wenn die Düse das Material absetzt.
Um dies zu vermeiden, sollten die Motoren immer gut geschmiert, und alle beweglichen Teile gut ausbalanciert werden. 

Fazit

Das Erreichen der Glattheit von 3D-gedruckten Teilen hängt von verschiedenen Faktoren ab. Diese beinhalten die Drucktechnik, das Material, die grundlegenden eingesetzten Druckverfahren. In den meisten Fällen kann die gewünschte Oberflächenglattheit über die Anwendung von Nachbearbeitungsschritten erreicht werden.

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