Chemische Glättung im 3D Druck bei Voxel4U
Verbesserung der Oberflächenqualität
Die additiven Fertigungstechnologien haben in den letzten Jahrzehnten einen großen Schritt nach vorne gemacht. Daher ist es auch nicht überraschend, dass die Möglichkeiten zur Verbesserung der Oberflächenqualität für 3D Druck konstant erweitert werden und dadurch stetig neue Einsatzgebiete erschlossen werden.
Glatt, glatter, chemisch
geglättet
chemisch glätten / Vapor Smoothing
Chemisches Glätten im 3D Druck
Neben Verdichtungsstrahlen und Gleitschleifen (Trowalisieren) gibt es auch die Option Druckteile mit einem besonderen Verfahrensmittel chemisch zu glätten (Vapor Smoothing).
Bei Anwendungen wie sterilen Oberflächen, dichten Bauteile und Sichtflächen galt 3D Druck lange als ungeeignet. Wir, Voxel4U bieten Ihnen durch das Nachbearbeitungsverfahren „chemisch glätten“ Lösungen für solche Einsätze an. Dabei arbeiten wir mit einer Vapor Fusion PostPro SF50 Anlage von AMT.
Oberflächenrauheit und Festigkeit
Die Rauheitswerte verbessern sich durch das Nachbearbeitungsverfahren erheblich. Ein unbearbeitetes PA 12 Bauteil besitzt üblicherweise einen Ra Wert von 5-10 µm. Dabei ist die Oberseite eher rauer und die Unterseite etwas glatter. Nach dem chemischen Glätten besitzen die Teile Ra Werte von ca. 2-3 µm.
Da MJF Teile aber ohnehin nach dem eigentlich Druck bereits gute mechanische Werte aufweisen, ist der Mehrwert, der bei SLS Teile durch das Nachbearbeitungsverfahren chemisch Glätten erzeugt wird, um einiges größer. SLS Teile weisen verfahrensbedingt im Vergleich zu Multi Jet Teilen eine porösere Oberfläche auf. Bei TPU ist die Steigerung der Oberflächenqualität am größten. Eine raue Haptik verwandelt sich in silikonartige, glatte Oberflächen.
Funktionsweise Chemische Glättung
Als erster Prozessschritt werden die Teile beim chemischen Glätten aufgehängt. Dieser Schritt wird mit Drähten, Klammern oder gedruckten Haken umgesetzt. Danach werden die 3D Druck Bauteile in einer geschlossenen Kammer mit Lösungsmittel bedampft. Auf Grund der chemischen Reaktion an der Oberfläche, zerfließen die einzelnen Schichten beziehungsweise die oft raue Oberfläche. Durch diese Verflüssigung werden Poren geschlossen und kleinere Unebenheiten geglättet. Dadurch entsteht eine insgesamt glattere, dichte Oberfläche. Zudem weisen die Teile durch die Verschmelzung bessere mechanische Eigenschaften auf.
Vorteile von chemischer Glättung in der additiven Fertigung
Durch das chemische Glätten ergeben sich mehrere Vorteile:
- Einfachere Reinigung
- Bessere Haptik
- Dicht und flüssigkeitsabweisend - kein Infiltrieren notwendig
- Bessere Zug- und Biegefestigkeit
- Bessere Gleiteigenschaften
- Verbesserung anderer Nachbearbeitungsergebnisse, wie zum Beispiel Färben.
Mögliche Materialien
Voxel4U bietet chemisch Glätten für MJF PA12, SLS PA2200 und SLS TPU Teilen an, 3D Druckverfahren für Polymere im Vergleich.
Anwendungsbeispiele für chemisches Glätten
Verbesserte Oberflächen-eigenschaften
Das chemische Glätten ermöglicht im Wesentlichen 4 sinnvolle Einsatzgebiete:
- Sterilisierbare Teile oder Teile, die oft gereinigt werden
- Gas- oder Flüssigkeitsführende Bauteile
- Sichtteile
- Teile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften
Sterilisierbare Teile oder Teile, die oft gereinigt werden
Üblicherweise sind pulvergedruckte Bauteile schwer zu reinigen, da die Oberflächen der Druckteile Wasser aufsaugen. Infolge von dem Nachbearbeitungsverfahren chemisch Glätten werden Poren geschlossen und Unebenheiten geglättet. Dadurch ergeben sich neue Einsatzgebiete in der Medizintechnik oder bei der Verwendung im Reinraum. Ebenso bieten geglättete Bauteile bereits präventiv weniger Möglichkeiten für eine Anhaftung von Schmutz.
Teile mit verbesserten mechanischen Eigenschaften
Bei dünnen Druckteilen (Wandstärke unter 2mm) verbessern sich die Biege- und Zugfestigkeit enorm. Erklärbar ist dies dadurch, dass alle Poren und Risse geschlossen werden und das Teil so insgesamt belastbarer wird. Dieser Effekt lässt zwar mit steigender Wandstärke nach, jedoch kann man bei dicken, sowie dünnen Teilen von den verbesserten Gleiteigenschaften profitieren. Diesen Vorteil kann man bei Anwendungen, wie Gewinde, Verschlüsse oder Zahnräder ausnutzen.
Ähnlich wie beim Rauheitswert, ist die Steigerung der mechanischen Kennzahlen bei SLS Teilen größer als bei MJF Teilen. Grund hierfür ist abermals, dass MJF Teile bereits nach dem Druck verbunden und verschlossen sind.
Gas- oder Flüssigkeitsführende Bauteile
Multi Jet Fusion Teile sind bereits nach dem Druck flüssigkeitsdicht. Jedoch muss hierbei zwischen dicht und abweisend unterschieden werden. Zudem kommt, dass bei herkömmlichen 3D Druck Teilen, das Problem besteht, dass Gase entweichen. Durch das chemische Glätten wird die Oberfläche komplett geschlossen und die Teile sind somit gas- und flüssigkeitsdicht.
Sichtteile
Spritzgussähnliche Oberflächen im 3D Druck. Klingt utopisch? Durch das chemische Glätten ist aber genau das möglich. Damit das Maximum an Optik ausgeschöpft werden kann, wird jedoch empfohlen die Oberfläche bereits in der Konstruktion mit Strukturen (z.B. Ledernarbungen oder Dreiecken) zu versehen. So können Fehler am Bauteil kaschiert werden und das Teil sieht optisch einwandfrei aus.
Was muss beim chemischen Glätten beachtet werden?
3 mögliche Lösungen zum Aufhängen der Druckteile
Da es beim chemisch Glätten einiges zu beachten gibt, bitten wir Sie uns eine Anleitung zu Ihrer Anfrage oder Bestellung anzuhängen.
Anleitung für das Aufhängen der Druckteile
Wie bereits erläutert wurde, ist es prozessbedingt notwendig, dass Teile beim chemischen Glätten aufgehängt werden. Daher bitten wir Sie uns per Screenshots in der Anleitung mitzuteilen, welche Flächen optisch am schönsten (A-Seite) sein sollen.
Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten zum Aufhängen:
- Aufhängen an Löchern
- Aufhängen mit Klammern (bestmöglich auf einer B-Seite)
- Aufhängen an einem gedruckten Haken, welcher im Anschluss weggeschnitten wird
Aufhängen mit Löcher
Die Löcher sollten einen Mindestdurchmesser von 1,5mm besitzen. Außerdem ist wichtig anzumerken, dass die Berührungspunkte des Drahts an dem Teil nicht geglättet werden und somit etwas rauer sind.
Aufhängen mit Klammern (bestmöglich auf einer B-Seite)
Da die Klemmen kleine, unbehandelte Punkte hinterlassen, ist es hierbei besonders wichtig, dass Sie uns mitteilen welche Flächen zur A-Seite und welche Flächen zur B-Seite gehören. Dadurch können wir besser beurteilen, an welcher Stelle der B-Seite die Bauteile am besten aufgehängt werden. So sorgen wir für die maximale Oberflächenqualität an der A-Seite.
Aufhängen an einem gedruckten Haken, welcher im Anschluss weggeschnitten wird
Zu guter Letzt besteht ebenso die Möglichkeit, einen Haken zu drucken. Dabei empfehlen wir Ihnen, unsere 3D-Druck Experten zu kontaktieren. Diese unterstützen Sie bei der richtigen Dimensionierung der Haken. Nach dem chemischen Glätten wird der Haken entfernt. Dabei kann es zu leichten Rückständen kommen.
Allgemeine Konstruktionsrichtlinien
Materialübergreifend (PA12, PA2200 und TPU) ist wichtig anzumerken, dass keine großen Querschnittsänderungen innerhalb eines 3D Druck Teils auftreten sollen. Anderenfalls kann es während der Kondensation des Glättprozesses zu einer bleibenden Anhaftung des Lösemittels rund um den Querschnittssprung führen. Hierbei können Radien oder Fasen Abhilfe schaffen.
Wir empfehlen eine Mindestwandstärke von 1mm, da es ansonsten auf Grund der Verflüssigung der Oberfläche zu unbeabsichtigten Löchern beziehungsweise Durchbrüchen führen kann. Bei Spalten wird ein Mindestabstand von 1mm empfohlen. Auf Grund der Oberflächenspannung des Lösemittels kann es ansonsten dazu führen, dass die Flüssigkeit im Schlitz austrocknet und somit die gewünschte Kontur verschließt.
Ebenso kann es bei Innenkanten zu Ablagerungen des Lösemittels kommen. Daher empfehlen wir Radien bei innenliegenden Kanten und Ecken!
Vermeiden Sie breite, ebene Flächen, da es hierbei vermehrt zu Lufteinschlüssen kommen kann. Organische Flächen oder Strukturen auf der Oberfläche verringern das Risiko einer Blasenbildung deutlich.
Materialbezogene (TPU) Konstruktionsrichtlinien:
Bei TPU gibt es auf Grund der geringen Dichte des Materials mehr Besonderheiten, welche für ein zufriedenstellendes Ergebnis beachtet werden sollen:
- Mindestwandstärke
Eine Mindestwandstärke von 2mm ist beim chemischen Glätten von TPU erforderlich. Durch die bereits angesprochene geringe Dichte von TPU wird beim Prozess Lösungsmittel angesaugt. Bei geringen Wandstärken kann es durch die prozessbedingte Aufnahme des Lösungsmittels und der Temperatur zur Blasenbildung kommen. Diese Blasenbildung kann bei Unterschreitung der Mindestwandstärke zu Rissen im Bauteil führen. - Toleranz
Bei der Toleranz erschließen sich auf Grund des „Saugeffekts“ ähnliche Probleme. Durch die Aufnahme des Mittels kann es zu erheblichen Maßabweichungen kommen. Kombiniert man die Nachbearbeitungsverfahren chemisch Glätten und Färben, wird der Effekt deutlich verstärkt.
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Unterstützung von unserem Expertenteam
Erzählen Sie uns gerne von Ihren Anforderungen und Problemen! Durch die Unterstützung unseres Expertenteams sind Sie bei den neu erschlossenen 3D Druck Anwendungen, die durch chemisches Glätten ermöglicht wird, Ihren Konkurrenten bereits einen Schritt voraus.
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FAQ
Häufig gestellte Fragen
Die maßliche Veränderung bei PA12 findet im Tausendstelmillimeterbereich (µm) statt. Da die umsetzbaren Toleranzen von 3D Druck zumeist im Zehntelmillimeterbereich liegen, kann also hierbei die Maßabweichung, welche durch das chemische Glätten verursacht wird, vernachlässigt werden.
Achtung: Auf Grund der chemischen Reaktion verschmelzen die Oberflächenschichten. Dadurch entstehen rundere Kanten und Schriftzüge.
Ja, auf Grund des zusätzlichen Prozessschrittes und des hohen manuellen Aufwands beim Aufhängen der Teile sind wir dazu gezwungen, die Lieferzeit zu erhöhen. Die zusätzliche Lieferzeit variiert je nach Stückzahl. Gerne geben wir Ihnen hierzu Auskunft! Als Anhaltswert können jedoch 3-5 zusätzliche Werktage angenommen werden.
Beim chemischen Glätten von PA2200 und TPU Teilen (SLS) bleibt die weiße Farbe unverändert. Anders sieht es jedoch bei PA12 (MJF) aus. Die aluminiumgraue Oberfläche nimmt einen dunkelgrauen Farbton an.
Auf Grund der homogeneren Oberfläche, welche durch das chemische Glätten realisiert wird, wird das Farbergebnis langlebiger und satter.
Die Aufschläge können nicht pauschal abgebildet werden. Der Aufschlag kann je nach Geometrie und Größe der Teile zwischen 10% und 60% variieren. Gerne geben wir Ihnen zu Ihrem Anwendungsfall Auskunft!
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Peter Weiss
Technische Leitung
+43 664 1928860
p.weiss@voxel4u.com