Bachelorarbeit von Tobias Hoffmann

in Zusammenarbeit mit German RepRap GmbH Hochschule Darmstadt

Vorwort

In dieser Bachelor Arbeit wird die mechanische Festigkeit von Druckobjekten aus dem 3D- Druckverfahren “Fused Deposition Modeling (FDM)” untersucht und zusätzlich mit mechanischen Festigkeiten von Objekten aus anderen Herstellungsprozessen verglichen. Dazu werden Zugstäbe mit einem “[[protos:protos_v2.0_3d-drucker_handbuch|Protos V2]]” [[glossar:fdm|FDM]]-Drucker der Firma German RepRap gedruckt und an einer Zugprüfmaschine der Hochschule Darmstadt geprüft. Die so gewonnenen Ergebnisse werden anschließend mit Ergebnissen von Spritzguß-Zugstäben, lasergesinterten Proben, sowie Zugstäben aus einer deutlich teureren FDM-Maschine, einer “Dimension” der Firma Stratasys, verglichen. Für die FDM-Zugstäbe aus dem Protos V2 Drucker werden verschiedene Parameter und Materialien verwendet, um zu überprüfen welche Parameter, beziehungsweise Materialien einen Einfluss auf die mechanische Festigkeit der Teile haben und wie groß dieser Einfluss im Verhältnis zu anderen Parametern ausfällt. Pro Versuchsreihe werden jeweils sechs Zugstäbe mit den gleichen Parametern produziert, um sicherzugehen, dass eine Reproduzierbarkeit der Zugstäbe gegeben ist. Wenn im Folgenden von “FDM-Zugstäben” gesprochen wird, sind immer die Zugstäbe aus dem Protos V2 Drucker gemeint. Die Zugstäbe aus der Stratasys Dimension, bei denen es sich ebenso um “FDM-Zugstäbe” handelt, werden speziell gekennzeichnet, damit keine Missverständnisse aufkommen. Ziel der Arbeit ist es, eine grobe Aussage über Festigkeiten von FDM-Druckteilen treffen zu können. Außerdem soll untersucht werden, welche Parametereinstellungen eine möglichst große, mechanische Belastbarkeit ermöglichen. Das Gleiche gilt für die Materialauswahl der zu diesem Zeitpunkt bei German RepRap verfügbaren Materialien.

Eingesetzte Herstellungsverfahren

Für die Produktion der Zugstäbe werden insgesamt drei verschiedene Herstellungsverfahren verwendet:

  • Fused Deposition Modeling (FDM)
  • Selektives Lasersintern (SLS)
  • Spritzgießen

Das FDM, sowie das SLS Verfahren, gehören zu den 3D-Druckverfahren, genau genommen zu den Verfahren des sogenannten “Additive Layer Manufacturing”, was den Aufbau eines dreidimensionalen Objektes aus einzelnen Schichten bezeichnet. Das Objekt entsteht also Schicht für Schicht. Da es sich um noch relativ neue Fertigungstechnologien handelt, gibt es noch nahezu keine Aussage über die Festigkeit, der auf diese Art produzierten Bauteile. Im Folgenden werden die Funktionsweisen der drei Verfahren kurz erläutert und sowohl Vor- als auch Nachteile dieser Verfahren genannt.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Bei dem FDM-Verfahren wird, wie bei allen 3D-Druckverfahren, ein virtuelles, dreidimensionales Objekt mit Hilfe einer sogenannten Slicer Software zuerst in zweidimensionale Schichten zerlegt. Diese werden dann von der FDM-Maschine aus aufgeschmolzenem Kunststoff erzeugt, beziehungsweise “gedruckt”.

Funktionsprinzip Fused Deposition Modeling (FDM)
  1. Düse zur Aufbringung geschmolzener Kunststoffe
  2. Aufgebrachtes Material
  3. bewegliche Druckplattform

Für diese Art des Druckens wird ein Kunststoffdraht (Filament) in ein beheiztes, sogenanntes Hot- End gefördert, dort aufgeschmolzen und danach durch eine Düse extrudiert. Dieses durch die Düse ausgebrachte Material wird Schicht für Schicht zu dem gewünschten, dreidimensionalem Bauteil aufgebaut.[2] Das Verfahren zeichnet sich zum einen durch seine Flexibilität, zum anderen durch die meist preisgünstigen Maschinen und Materialien aus. Außerdem ist die Technik, die bei den Maschinen zum Einsatz kommt, relativ einfach. Daher können viele FDM-Maschinen verhältnismäßig günstig als Bausatz, oder als Fertiggerät angeboten werden und werden daher auch gerne von Privatanwendern genutzt. Neben diesen günstigen Modellen gibt es allerdings auch teure Maschinen für die Industrie, wie beispielsweise von der Firma Stratasys. Nachteile dieses Verfahrens sind zum einen die begrenzte Materialauswahl, sowie die im Verhältnis zu anderen Fertigungsverfahren gesehene, schlechtere Oberfläche. Durch Nachbearbeitung mit Lösungsmitteln lässt sich die Oberfläche von den gängigsten Materialien allerdings sehr gut glätten.

Selektives Laser Sintern (SLS)

Lasersintern gehört, wie das Fused Deposition Modeling auch, zu den generativen Schichtbauverfahren. Im Gegensatz zum FDM-Verfahren, bei dem ein Kunststoffdraht als Ausgangsform des Materials verwendet wird, kommt beim Lasersintern Material in Pulverform zum Einsatz. Dieses Pulver wird Schicht für Schicht mit einem Rakel vom Vorratszylinder zum Fertigungszylinder gestrichen. Dort wird das Pulver nach jedem neuen Schichtauftrag mit Hilfe eines Hochleistungslasers mit dem verfestigten Pulver der vorhergegangenen Schicht verschmolzen.

Funktionsweise des Selektiven Lase Sinterns (SLS)

Ein großer Vorteil des Lasersintern ist es, dass neben Kunststoffpulvern auch Metallpulver, beziehungsweise Metall-Kunststoff-Gemische, wie beispielsweise Alumide zum Einsatz kommen. Dadurch lassen sich deutlich stabilere Teile drucken. Aufgrund der Pulverform ist die maximale Auflösung der Sinteranlagen deutlich höher, als die, der FDM-Anlagen. Des Weiteren fungiert das nicht verschmolzene Pulver im Fertigungszylinder als Stützschicht. Dadurch wird keine eigens generierte Stützkonstruktion, wie beim FDM-Verfahren benötigt. Allerdings ist das Sinterverfahren durch teure Maschinen und teures Material aktuell noch sehr kostspielig und benötigt sehr aufwändige Technik. Unter Anderem ist es deswegen aktuell noch nicht ohne Weiteres für den privaten Verbraucher zugänglich. Ab Ende Januar 2014 laufen allerdings mehrere Patentrechte bezüglich des SLS Verfahrens aus und ab diesem Zeitpunkt wird mit einem massivem Wachstum, beziehungsweise der Verbreitung dieser Technologie gerechnet, welche höchstwahrscheinlich auch ein deutliches Absinken der Kosten mit sich bringen wird.

Spritzgießen

Funktionsweise des Spritzgießens

Beim Spritzgießen handelt es sich um eine “herkömmliche” Art der Kunststoffverarbeitung. Dabei wird Kunststoffmaterial in Granulatform mit Hilfe einer, auf Schmelztemperatur des Granulates, aufgeheizten Schnecke aufgeschmolzen und gefördert. Die so gewonnene Schmelze wird mit hohem Druck in ein Werkzeug mit entsprechenden Negativformen des Produktes gespritzt, wo sie dann abkühlt und erstarrt. Mit diesem Herstellungsprozess können sehr schnell, sehr hohe Stückzahlen produziert werden. Das Verfahren ist für große Stückzahlen sehr viel kosteneffizienter und schneller als die beiden genannten 3D-Druckverfahren, FDM und SLS. Außerdem ist die Materialauswahl bezüglich des Kunststoffmaterials sehr viel größer als beim FDM-Verfahren. Allerdings ist eine Produktion per Spritzguß wenig flexibel was Objektform und -größe angeht und die Werkzeugform an sich hat einen vergleichsweise hohen Anschaffungspreis. Daher eignet sich das Spritzgußverfahren weniger für Prototypenbau oder Einzelanfertigungen, sondern eher für die Massenproduktion eines ausgereiften Produktes. Eine Fertigung per Spritzguß ist also häufig der nächste Schritt nach dem Prototypenbau durch ein 3D-Druckverfahren.

Produktion und Variation der Prüfstäbe

Die Prüfstäbe werden alle nach den Vorgaben der DIN EN ISO 527-2-2012-06 mit folgenden Abmessungen hergestellt (Probekörpertyp 1A):

Norm der Zugstäbe

Es werden Zugstäbe aus verschiedenen Materialien und mit unterschiedlichen Parametereinstellungen auf demselben Drucker (German RepRap Protos V2) gedruckt. Jede Parametereinstellung wird mehrfach gedruckt, um statistisch abgesicherte Werte zu erhalten. Des W1eiteren kommen noch Zugstäbe aus einer Spritzgußmaschine, lasergesinterte Zugstäbe, sowie FDM-Zugstäbe aus einer Stratasys Dimension für Vergleiche zum Einsatz.

Materialauswahl

Als Druckmaterial kommen die folgenden Materialien im FDM-Drucker Protos V2 zum Einsatz:

  1. Acrylnitril-Butadien-Styrol
  2. Polylactide Acid (PLA)
  3. Polypropylen (PP)
  4. Polyamid 6 (PA 6)

Im Bereich des 3D-Drucks werden besonders die Materialien und PLA für das Fused Deposition Modeling und PA für das Selektive Lasersintern eingesetzt. Aktuell werden bei der Firma German RepRap GmbH Versuche mit der Verarbeitung von PP und PA 6 im FDM-Verfahren gemacht, daher kommen auch diese Materialien zum Einsatz.

Die Zugstäbe aus dem FDM-Drucker “Dimension” der Firma Stratasys sind aus folgendem Material produziert: Acrylnitril-Butadien-Styrol

Neben den Materialien im FDM-Drucker kommen noch folgende Materialien für das SLS Verfahren zum Einsatz:

  1. Polyamid 22 (PA 22)
  2. Alumide

Bei dem Material Alumide handelt es sich um ein Mischmaterial aus Polyamid und Aluminiumpulver, wie es häufig beim SLS-Verfahren eingesetzt wird.

Die Spritzgußstäbe sind aus folgendem Material gespritzt:

  1. Polyamid 6 (PA 6)
  2. Acrylnitril-Butadien-Styrol

Parametereinstellungen

Bezüglich der Parametereinstellung gibt es seitens der Slicer Software für die FDM-Zugstäbe zahlreiche Einstellmöglichkeiten. Für die Versuchsreihen werden einige Parameter ausgewählt, die dann von Versuchsreihe zu Versuchsreihe variiert werden. Diese Parameter sind im Folgenden mit jeweils einer kurzen Erklärung aufgeführt:

Layer Height – Die Layer Height beschreibt die Schichthöhe der einzelnen, aufeinander gelegten, beziehungsweise gedruckten Schichten, in Millimeter.

Anzahl der Perimeter – Unter einem Perimeter versteht man eine Randschicht. Die Anzahl der Perimeter gibt also an, mit wie vielen Randschichten ein Objekt gedruckt wird.

Füllgrad – Der Füllgrad gibt an, zu wieviel Prozent ein Objekt mit Material gefüllt ist. Dieser Wert kann zwischen 0 (= hohles Objekt) und 1 (= voll gefülltes Objekt) liegen.

Füllstruktur – Die Füllstruktur beschreibt das Muster, beziehungsweise die Struktur, mit der ein Druckobjekt gefüllt wird. Hauptsächlich wird hier ein rechteckiges (rectilinear) und ein wabenförmiges (honeycombs) Muster verwendet.

Druckgeschwindigkeit – Die Druckgeschwindigkeit beschreibt die Geschwindigkeit, mit der, der Druckkopf verfährt. Die benötigte Extrusiongeschwindigkeit wird automatisch von der Slicer Software angepasst.

Düsendurchmesser – Um möglichst feine und genaue Druckergebnisse zu erzielen wird eine möglichst feine Düse benötigt (meist 0,3mm). Die Düsen können gegen andere Düsen mit unterschiedlichem Durchmesser getauscht werden (aktuell bis zu 1mm). Je größer die Düse ist, desto “gröber” wird die Qualität des Druckes, aber desto kürzer sind die Druckzeiten.

Sonstige Parameter, die über die Slicer Software eingestellt wurden und von den Standard Einstellungen abweichen, werden im Folgenden aufgeführt und sind, sowohl für die Material-, als auch die Parametervariierten Zugstäbe gleich. Die Angaben dienen der späteren Reproduzierbarkeit der Prüfstäbe.

Slicer Settings > Print Settings > Advanced

First Layer130%
Perimeter125%
Infill115%
Solid Infill110%
Top Solid Infill115%

Diese Werte geben eine geänderte, extrudierte Materialmenge für die einzelnen Druckabschnitte an. Bei einem eingestellten Wert von beispielsweise “130%” für “First Layer” wird also 130% der ursprünglich von der Software vorgesehenen Materialmenge für den Druck des First Layers verwendet.

Die, in der Tabelle genannten, Parameter bedeuten im einzelnen:

First Layer: Beschreibt die erste gedruckte Schicht des Objektes, also die Schicht, die auf der Grundplatte aufgetragen wird.

Perimeter: Ein Perimeter ist eine Randschicht des Druckobjektes.

Infill: Unter Infill versteht man die Füllmenge eines Objektes, also zu wieviel Prozent das Objekt gefüllt wird.

Solid Infill: Beschreibt solide gedruckten Schichten, also Schichten die aus 100% Material bestehen.

Top Solid Infill: Wie Solid Infill, allerdings als Abdeckung nach oben.

Slic3r Settings > Filament Settings

Diameter2,9 mm
Extrusion multiplier1,1

Der eingetragene “Diameter-Wert” gibt einen gemittelten Durchmesser des verwendeten Filaments an. Für “Extrusion multiplier” wird ein Wert angegeben, mit dem die komplette Extrusionsmenge multiplitziert wird. Die hier angegebenen Werte dienen dazu, ein möglichst gutes Druckergebnis zu erhalten und sollen außerdem eingebrachten Produktionstoleranzen durch Fertigungstoleranzen der Druckerbauteile so weit wie möglich entgegenwirken.

Versuchsaufbau und Darstellung der Ergebnisse

Durchgeführt werden die Zugversuche an einer Zugprüfmaschine “Zwick Roell Z050” an der Hochschule Darmstadt. Die Parametertabelle des Prüfberichtes sieht wie folgt aus:

Parametertabelle der Prüfberichte

Zur Ermittlung des E-Moduls verfährt die Prüfmaschine mit einer Geschwindigkeit von 1mm pro Minute. Diese Messung erfolgt mit einem Makroaufnehmer. Nachdem der E-Modul ermittelt ist, steigt die Geschwindigkeit auf 5mm pro Minute an. Diese Geschwindigkeit wird bis zum Bruch des Zugstabes beibehalten. Für jede Versuchsreihe, die durchgeführt wird, werden sechs Zugstäbe mit den gleichen Einstellungen geprüft.

Als festigkeitsrelevante Werte werden folgende Ergebnisse untersucht und verglichen:

  • Elastizitätsmodul – Der E-Modul ist ein Maß der Steifigkeit eines Materials und stellt einen Bezug zum aufgebrachten Widerstand im Verhältnis zur Verformung dar ((Adolf, Frank: Kunststoffkompendium, Vogel Verlag Würzburg, 2000))
  • Zugfestigkeit – Die Zugfestigkeit gibt die maximale Spannung an, die in einem Bauteil auftritt
  • Bruchdehnung – Die Bruchdehnung gibt an, um wieviel Prozent sich eine Probe dehnt, bevor sie bricht (bezogen auf die Ausgangslänge)

Zusätzlich wird das Gewicht der einzelnen Zugstäbe gemessen, um möglichst gut nachvollziehen zu können, ob es bei der Produktion der Zugstäbe zu Fehlern durch eine verstopfte Düse, oder Ähnlichem gekommen ist.

Die Ergebnisse werden in folgende drei Bereiche unterteilt:

  1. Materialbezogene Ergebnisse
  2. Parameterbezogene Ergebnisse
  3. Herstellungsbezogene Ergebnisse

Für die materialbezogenen Ergebnisse werden die Prüfstäbe, soweit möglich, mit denselben Parametern, aber unterschiedlichen Materialien produziert. Das Herstellungsverfahren und der verwendete Drucker sind gleich (FDM, Protos V2). Dieser Vergleich soll Auskunft darüber geben, welchen Einfluss das verwendete Material auf die mechanische Festigkeit des Druckobjektes hat.

Für die parameterbezogenen Ergebnisse werden Zugstäbe immer aus demselben Material produziert, in diesem Fall ABS. Die Druckparameter werden dabei einzeln variiert. Auch hier ist das Herstellungsverfahren, sowie die Maschine gleich (FDM, Protos V2). Auf diese Weise soll überprüft werden, welche einstellbaren Parameter einen Einfluss auf die mechanische Festigkeit haben, und wie groß dieser Einfluss ausfällt.

Im Rahmen der herstellungsbezogenen Ergebnisse werden Prüfstäbe mit verschiedenen Fertigungsverfahren hergestellt. Die verwendeten Parameter sind aufgrund der verschiedenen Verfahren relativ unterschiedlich, beziehungsweise nicht beeinflussbar. Die verwendeten Materialien sind nicht identisch, aber ähnlich, um eine Vergleichbarkeit möglich zu machen. Eine kurze Beurteilung des dargestellten Ergebnisprotokolls folgt immer direkt im Anschluss, eine vergleichsorientierte Bewertung ist in Kapitel 6 zu finden. Dargestellt werden im folgenden jeweils Auszüge aus den Ergebnisprotokollen der einzelnen Zugprüfungen. Die kompletten Ergebnisprotokolle finden sich im Anhang.

Materialbezogene Ergebnisse

Um eine sinnvolle Darstellung der materialbezogenen Ergebnisse zu ermöglichen, sind alle Prüfstäbe mit den folgenden, gleichen Grundeinstellungen gedruckt. Die einzige Abweichung von diesen Grundeinstellungen bilden jeweils die Verarbeitungstemperaturen, sowie die Druckbetttemperaturen, da diese an das jeweils verwendete Material angepasst werden müssen.

Die verwendeten Parameter sind im Einzelnen:

Layer Height0,2 mm
Anzahl der Perimeter3
Füllgrad30%
FüllstrukturRectilinear
Druckgeschwindigkeit20 mm/s
Düsendurchmesser0,4 mm
Drahtdurchmesser3 mm

Für die verschiedenen Materialien werden folgende Temperatureinstellungen verwendet:

MaterialDüsentemperaturDruckbettemperatur
PLA215°65°
Soft-PLA215°65°
ABS245°115°
PP210°
PA260°125°
Temperatureinstellungen

Die Heizbetttemperatur für PP ist nicht angegeben, da PP auf einer nicht beheizten Druckfläche gedruckt wird. PP gehört zu den Polyolefinen, bei welchen es sehr schwer ist eine Haftung des Materials auf einer Grundfläche aus einem “nicht-polyolefin-Material” zu erzeugen. Aus diesem Grund wird als Druckbett eine spezielle Grundplatte verwendet. Um hier eine Verschweißung des Druckobjektes mit der Druckplatte so weit wie möglich zu verhindern, wird das Druckbett nicht geheizt.

PLA

Ergebnisse PLA

Da Probe Nummer 6 eine grobe Abweichung von den anderen Proben bezüglich der Bruchspannung liefert, wird sie für die Berechnung der Bruchspannung vernachlässigt.

Probe 123456
Gewicht in g 4,51 4,27 4,12 4,44 4,52 4,18
Ergebnisprotokoll PLA
  • Mittelwert der Probe: 4,34 g, Standardabweichung: 0,17 g
  • Gemittelter E-Modul: 967 MPa, Standardabweichung: 57 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 10,75 MPa, Standardabweichung: 2,73 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 1,64 %, Standardabweichung: 0,13 %

Soft-PLA

Ergebnisprotokoll Soft-PLA

Probe 2 weist eine sehr viel höhere Bruchdehnung auf, da diese Probe bis zum Ende der Prüfung nur noch von den Perimetern zusammengehalten wird und daher nicht reißt. Aus diesem Grund werden die Werte dieser Probe bezüglich der Bruchdehnung nicht berücksichtigt.

Probe123456
Gewicht in g 7,167,167,057,147,147,14
Ergebnisprotokoll Soft-PLA
  • Mittelwert der Probe: 7,13 g, Standardabweichung: 0,04 g
  • Gemittelter E-Modul: 156 MPa, Standardabweichung: 17 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 5,05 MPa, Standardabweichung: 0,04 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 65,83 %, Standardabweichung: 12,55 %

ABS

Ergebnisprotokoll ABS

Probe 123456
Gewicht in g 4,67 4,66 5,00 4,87 4,86 4,99
Ergebnis ABS
  • Mittelwert der Probe: 4,86 g, Standardabweichung: 0,16 g
  • Gemittelter E-Modul: 834 MPa, Standardabweichung: 53 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 13,87 MPa, Standardabweichung: 0,54 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 2,45 %, Standardabweichung: 0,20 %

PP

Ergebnisprotokoll PP

Die Proben 2 und 5 werden für die folgenden Berechnungen vernachlässigt, da diese deutlich leichter sind, und auch offensichtliche Fehler in der Füllstruktur aufweisen, was auf einen ungleichmäßigen Materialfluss während der Produktion schließen lässt.

Ähnlich wie bei den Ergebnissen der Soft-PLA Proben, wird auch hier Probe 4 noch sehr lange von den Perimetern zusammengehalten und verfälscht dementsprechend die Ergebnisse der Bruchdehnung. Für die Berechnung der mittleren Bruchdehnung werden aufgrund der Fertigungsfehler die Proben 2, 4 und 5 vernachlässigt.

Probe123456
Gewicht in g 5,35 3,34 5,08 5,34 3,38 5,51
Ergebnis PP
  • Mittelwert der Probe: 5,23 g, Standardabweichung: 0,14 g
  • Gemittelter E-Modul: 478 MPa, Standardabweichung: 38 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 10,49 MPa, Standardabweichung: 0,77 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 8,53 %, Standardabweichung: 0,70 %

PA6

Ergebnisprotokoll PA6

Bei den Polyamid 6 Ergebnissen wird, bezüglich der Festigkeit, die Probe 4 komplett vernachlässigt, da diese aufgrund stark abweichender Werte das Gesamtergebnis verfälschen würde.

Probe123456
Gewicht in g 5,63 5,82 6,18 5,88 5,58 5,84
Ergebnis PA6
  • Mittelwert der Probe: 5,82 g, Standardabweichung: 0,21 g
  • Gemittelter E-Modul: 1290 MPa, Standardabweichung: 138,83 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 16,34 MPa, Standardabweichung: 2,24 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 1,72 %, Standardabweichung: 0,20 %

PA6 – 100% Infill

Ergebnisprotokoll PA6-100% Infill

Diese Probenserie stellt eine Ausnahme zu den anderen materialvariierten Prüfstäben dar, da die Proben mit einer 100% Füllung und einer 1mm Düse produziert wurden. Dies ist nötig, um sinnvolle Werte für den Vergleich zwischen FDM, Spritzguß und SLS zu haben, da die Proben im SLS und Spritzgußverfahren ebenfalls zu 100% gefüllt sind.

Drei der sechs Proben liefern aufgrund schlechter Schichthaftung unbrauchbare Ergebnisse in Bezug auf das E-Modul (Probe 1, 5 und 6). Bei diesen Proben reißen einige Schichten direkt zu Beginn der Zugprüfung, da diese aufgrund von Verzug gekrümmt waren. Dadurch wird nur durch das Einspannen der Proben in die Zugprüfmaschine eine Seite der Prüfstäbe stark belastet. Die drei verbleibenden Proben (Nummer 2, 3 und 4) sind gerade und werden daher für die Berechnung des E-Moduls herangezogen. Des Weiteren wird für die Berechnung der Bruchdehnung Probe 3 ausgeklammert, bei der während der Zugprüfung bereits alle Druckschichten gerissen sind, bis auf eine, die dann sehr stark gedehnt wurde und daher diese hohe Bruchdehnung erzielt.

Probe123456
Gewicht in g 10,28 10,30 10,30 10,21 10,09 10,00
Ergebnis PA6 – 100% gefüllt
  • Mittelwert der Probe: 10,20 g, Standardabweichung: 0,13 g
  • Gemittelter E-Modul: 1888 MPa, Standardabweichung: 111 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 28,43 MPa, Standardabweichung: 2,95 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 3,05 %, Standardabweichung: 0,62 %

Parameterbezogene Ergebnisse

Die nun aufgeführten Ergebnisse der Zugprüfung sind parameterbezogen. Dabei werden die, im Folgenden genannten Parameter einzeln variiert, um den Einfluss des jeweiligen Parameters auf die mechanische Belastbarkeit des Zugstabes zu ermitteln. Die “Grundparameter-Einstellung” sieht wie folgt aus:

Als Material kommt ABS zum Einsatz.

Layer Height 0,2 mm
Anzahl der Perimeter 3
Füllgrad 30 %
Füllstruktur Rectilinear
Druckgeschwindigkeit 20 mm/s
Düsendurchmesser 0,4 mm
Extrudertemperatur 245°C
Druckbetttemperatur 115°C
Grundparameter-Einstellung zum Material ABS

Nun wird immer genau ein Parameter verändert, während die Anderen im oben beschriebenen Schema verbleiben. Ein Vergleich dieser dargestellten Ergebnisse untereinander erfolgt in Kapitel 6.

Füllstruktur – Honeycomb

Ergebnisprotokoll Füllstruktur Honeycomb bei ABS
Probe123456
Gewicht in g 5,40 5,40 5,31 5,35 5,36 5,41
Ergebnisprotokoll Füllstrucktur – Honeycomb
  • Mittelwert der Probe: 5,41g, Standardabweichung: 0,04 g
  • Gemittelter E-Modul: 907 MPa, Standardabweichung: 22 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 15,55 MPa, Standardabweichung: 0,39 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 5,56 %, Standardabweichung: 0,12 %

Füllgrad – 50% Infill

Ergebnisprotokoll Füllgrad 50% Infill
Probe 123456
Gewicht in g 5,84 5,08 5,59 5,48 5,00 5,15
Ergebnis Füllgrad – 50% Infill
  • Mittelwert der Probe: 5,36 g, Standardabweichung: 0,33 g
  • Gemittelter E-Modul: 943 MPa, Standardabweichung: 32 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 15,44 MPa, Standardabweichung: 0,75 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 2,51 %, Standardabweichung: 0,39 %

Füllgrad – 100% Infill

Ergebnisprotokoll100% Infill ABS

Die Proben 1, 2 und 3 weisen deutliche Produktionsmängel auf. Diese Proben lassen sich bereits mit sehr wenig Kraft von Hand zerstören. Auch das deutlich niedrigere Gewicht zeigt, dass diese drei Proben deutliche Mängel aufweisen. Grund dafür ist vermutlich eine verstopfte Düse, durch die zu wenig Material extrudiert werden konnte, wodurch die Proben nicht ordentlich gefüllt wurden, beziehungsweise die einzelnen Schichten nur mangelhaft miteinander verschweißt sind. Aus diesem Grund werden diese Proben für die folgenden Ergebnisse und Vergleiche vernachlässigt und nur die Proben 4, 5 und 6 gewertet. Diese weisen sowohl optisch, als auch vom Gewicht her keine Zeichen für Produktionsfehler auf.

Probe123456
Gewicht in g 5,39 5,28 5,35 8,15 8,23 8,19
Ergebnis Füllgrad – 100% Infill
  • Mittelwert der Probe: 8,19 g, Standardabweichung: 0,04 g
  • Gemittelter E-Modul: 1477 MPa, Standardabweichung: 7,5 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 25,48 MPa, Standardabweichung: 1,27 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 3,88 %, Standardabweichung: 0,78 %

Perimeter – 6 Perimeter

Ergebnisprotokoll 6 Perimeter ABS
Probe123456
Gewicht in g 7,13 7,13 7,137,057,217,08
Ergebnis Perimeter – 6 Perimeter
  • Mittelwert der Probe: 7,12 g, Standardabweichung: 0,05 g
  • Gemittelter E-Modul: 1474 MPa, Standardabweichung: 33 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 25,35 MPa, Standardabweichung: 0,63 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 3,01 %, Standardabweichung: 0,33 %

Düsendurchmesser – 1mm

Ergebnisprotokoll Düsendurchmesser 1 mm ABS
Probe123456
Gewicht in g 6,98 6,94 6,89 6,94 6,59 6,88
Ergebnis Düsendurchmesser – 1mm
  • Mittelwert der Probe: 6,87 g, Standardabweichung: 0,14 g
  • Gemittelter E-Modul: 1347 MPa, Standardabweichung: 53 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 21,84 MPa, Standardabweichung: 0,48 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 2,69 %, Standardabweichung: 0,24 %

Schichtstärke – 0,1mm

Ergebnisprotokoll Schichtstärke – 0,1mm ABS
Probe123456
Gewicht in g 4,64 4,62 4,62 4,62 4,44 4,40
Ergebnis Schichtstärke – 0,1mm
  • Mittelwert der Probe: 4,56 g, Standardabweichung: 0,11 g
  • Gemittelter E-Modul: 587 MPa, Standardabweichung: 23 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 9,78 MPa, Standardabweichung: 0,73 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 2,13 %, Standardabweichung: 0,08 %

Druckgeschwindigkeit – 60mm/s

Ergebnisprotokoll Druckgeschwindigkeit – 60mm/s ABS
Probe123456
Gewicht in g 3,31 3,20 3,24 3,54 3,65 3,71
Ergebnis Druckgeschwindigkeit 60mm/s
  • Mittelwert der Probe: 3,44 g, Standardabweichung: 0,22 g
  • Gemittelter E-Modul: 534 MPa, Standardabweichung: 76,60 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 6,54 MPa, Standardabweichung: 1,76 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 2,10 %, Standardabweichung: 0,17 %

Herstellungsbezogene Ergebnisse

Spritzguß – Polyamid

Ergebnisprotokoll Spritzguss-Polyamid

Für das Mittelgewicht der Stäbe wird Probe 5 vernachlässigt, da bei dieser das Formnest nicht komplett gefüllt war. Dieser Fehler bezieht sich allerdings nur auf den “Kopf” des Zugstabes und hat damit keine Auswirkung auf die Festigkeitsprüfung. In Klammern werden jeweils die Literaturwerte eines vergleichbaren Materials aus der M-Base Datenbank angegeben (in diesem Fall: LANXESS – Durethan BC 30) ((M-Base, http://www.materialdatacenter.com/mb/ 19.01.2013))

Probe123456
Gewicht in g 13,00 12,93 12,46 12,95 11,51 12,96
Ergebnis Spritzguß – Polyamid
  • Mittelwert der Probe: 12,86 g, Standardabweichung: 0,23 g
  • Gemittelter E-Modul: 2644 (2800) MPa, Standardabweichung: 113 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 61,32 (65) MPa, Standardabweichung: 0,97 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 27,86 (10)%, Standardabweichung: 6,29 %

Spritzguß – ABS

Ergebnisprotokoll Spritzguss – ABS

In Klammern werden jeweils die Literaturwerte eines vergleichbaren Materials aus der M-Base Datenbank angegeben (in diesem Fall: Styron – Magnum 3404) ((M-Base, http://www.materialdatacenter.com/mb/ 19.01.2013))

Für die Bestimmung der Bruchdehnung wird Probe 3 vernachlässigt, da diese überdurchschnittlich früh gerissen ist, vermutlich aufgrund eines Materialfehlers.

Probe123456
Gewicht in g 8,70 8,70 8,68 8,68 8,71 8,70
Ergebnis Spritzguß – ABS
  • Mittelwert der Probe: 8,70 g, Standardabweichung: 0,01 g
  • Gemittelter E-Modul: 2160 (2150) MPa, Standardabweichung: 49 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 43,40 (43) MPa, Standardabweichung: 7,10 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 16,65 (2,7) %, Standardabweichung: 2,43 %

SLS – Alumide

Ergebnisprotokoll SLS – Alumide
Probe123456
Gewicht in g 13,70 13,65 13,69 13,00 13,54 13,75
Ergebnis SLS – Alumide
  • Mittelwert der Probe: 13,56 g, Standardabweichung: 0,28 g
  • Gemittelter E-Modul: 3862 MPa, Standardabweichung: 132,44 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 32,74 MPa, Standardabweichung: 2,51 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 1,32 %, Standardabweichung: 0,16 %

SLS – PA

Ergebnisprotokoll SLS-PA
Probe123456
Gewicht in g 9,75 9,60 9,54 9,50 9,44 9,49
Ergebnis SLS – PA
  • Mittelwert der Probe: 9,55 g, Standardabweichung: 0,11 g
  • Gemittelter E-Modul: 1683 MPa, Standardabweichung: 36 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 50,51 MPa, Standardabweichung: 0,59 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 14,97 %, Standardabweichung: 1,40 %

FDM Stratasys Dimension

Ergebnisprotokoll FDM Stratasys-Dimension

Bei der Stratasys Dimension kommt ABS als Druckmaterial zum Einsatz. Es handelt sich dabei allerdings nicht um genau das gleiche ABS Material, wie beim Protos V2 Drucker.

Probe123456
Gewicht in g 9,52 9,58 9,58 9,52 9,52 9,52
Ergebnis FDM Stratasys Dimension
  • Mittelwert der Probe: 9,54 g, Standardabweichung: 0,03 g
  • Gemittelter E-Modul: 1930 MPa, Standardabweichung: 22 MPa
  • Gemittelte Zugfestigkeit: 29,47 MPa, Standardabweichung: 1,08 MPa
  • Gemittelte Bruchdehnung: 2,40 %, Standardabweichung: 0,26 %

Auswertung und Vergleich der Ergebnisse

Im folgenden Teil der Bacheloarbeit werden die, in Kapitel 5 dargestellten, Ergebnisse miteinander verglichen. Dies geschieht wieder in drei Gruppierungen: 1. Materialbezogener Vergleich 2. Parameterbezogener Vergleich 3. Herstellungsbezogener Vergleich

Materialbezogener Vergleich

Verglichen werden die Elastizitätsmodule, die Zugfestigkeiten, sowie die Bruchdehnungen der unterschiedlichen Materialien aus dem FDM Drucker Protos V2. Als Ausgangs-, beziehungsweise Standardwert werden die Werte des ABS Zugstabes gewählt. Angegeben und verglichen werden jeweils die Mittelwerte, die in Kapitel 4 ermittelt wurden. Verbesserungen, beziehungsweise Verschlechterungen gegenüber der Standard ABS Probe werden jeweils in Klammern in Prozent aufgeführt. Zur Verdeutlichung werden Verbesserungen in grün, Verschlechterungen in rot dargestellt.

MaterialE-Modul in MPaZugfestigkeit in MPaBruchdehnung in %
ABS Standard83313,872,45
PLA967 (+16%)11,80 (-15%)1,64 (-33%)
Soft-PLA156 (-81%)5,05 (-64%)65,83 (+2587%)

Die PLA Proben weisen im Vergleich zum ABS ein um 16% erhöhtes E-Modul auf. Überraschenderweise ist die Zugfestigkeit dagegen um 15% niedriger. Die Bruchdehnung liegt 33% unter dem Wert von ABS.

Im Vergleich dazu hat das Soft-PLA einen deutlich niedrigeren E-Modul (81% niedriger) sowie eine deutlich niedrigere Zugfestigkeit (64% niedriger) als das ABS. Dafür ist die Bruchdehnung um knapp 2600% höher, als die von ABS. Aufgrund des weichen, fast schon Elastomer ähnlichen Materials, sind diese Werte allerdings nicht überraschend, sondern eher zu erwarten. Bei einer derart gesteigerten Bruchdehnung muss mit einer Verringerung des E-Moduls, beziehungsweise der Zugfestigkeit gerechnet werden.

Niedrig fällt auch das E-Modul der PP Proben aus. Es ist 43% unter dem E-Modul von ABS. Auch die Zugfestigkeit ist niedriger, als die, der ABS Proben (um 24%). Dafür weist PP eine knapp zweieinhalb mal so hohe Bruchdehnung wie das ABS auf. Eine erhöhte Bruchdehnung wurde allerdings schon aufgrund der “weicheren” Haptik der PP Proben erwartet.

Das PA 6 ist neben dem PP das zweite teilkristalline Material in dieser Versuchsreihe. Wie von den PA 6 Proben erwartet zeigt sich im Vergleich zu ABS eine deutliche Steigerung des E-Moduls (um 55%) sowie der Zugfestigkeit (um 18%). Die Bruchdehnung hingegen ist um knapp ein Drittel niedriger als die von ABS.

Parameterbezogener Vergleich

Wie bereits für den materialbezogenen Vergleich erfolgt der parameterbezogene Vergleich in derselben Tabellenform. Als Vergleichs-, beziehungsweise Ausgangswerte werden die Werte des ABS Prüfstabes mit den folgenden Parametern herangezogen:

Layer Height0,2 mm
Anzahl der Perimeter3
Füllgrad30 %
Füllstrukturrectilinear
Druckgeschwindigkeit20 mm/s
Düsendurchmesser0,4 mm
Drahtdurchmesser3 mm

Die nun variierten Paramete werden jeweils mit den gemittelten Elastizitätsmodulen, Zugfestigkeiten und Bruchdehnungen aufgeführt. Des Weiteren wird noch das gemittelte Gewicht der Proben mit angegeben. Bei dem materialbezogenen Vergleich hat ein Gewichtsvergleich aufgrund verschiedener Materialdichten kaum Aussagekraft, da die folgenden Zugstäbe aber alle aus dem selben Material gefertigt sind, ist hier das Gewicht durchaus aussagekräftig. Nach den angegebenen Werten ist, wie im vorangegangenen Vergleich, die Verbesserung, beziehungsweise Verschlechterung, im Vergleich zum “Standard” ABS Zugstab in Prozent angegeben.

MaterialE-Modul in MPaZugfestigkeit in MPaBruchdehnung in %Probengewicht in g
ABS Standard83313,872,454,86

Bei diesen Proben handelt es sich um die “Standard” Zugstäbe, die nach den oben genannten Parametern produziert wurden und für die folgenden Werte als Vergleich herangezogen werden.

Füllstruktur E-Modul in MPa Zugfestigkeit in MPa Bruchdehnung in % Probengewicht in g
Honeycomb906 (+9%)15,55 (+12%)2,56 (+4%)5,37 (+10%)

Die Füllstruktur “Honeycomb” erzeugt ein bienenwabenähnliches Muster. Dieses weist im Vergleich zum “Rectilinear”, also rechteckigen Füllmuster, ein 9% höheres E-Modul auf. Auch die Zugfestigkeit steigt um 12%, die Bruchdehnung um 4%. Beachtet werden muss dabei allerdings, dass auch das Gewicht der Stäbe um 10% höher ist. Dementsprechend wird auch 10% mehr Material für die Proben benötigt. Es handelt sich bei diesen Proben also um eine prozentual etwa gleichgroße Zunahme des E-Moduls, wie die Zunahme des Gewichtes. Allerdings sollte eine Wabenstruktur eine deutlich höhere Druckkraft als eine rechteckige Füllstruktur aufnehmen können. Weiterhin spielt vermutlich auch die Kraftrichtung bei der Wabenstruktur eine untergeordnete Rolle. Diese Annahme konnte aber nicht im Rahmen dieser Arbeit überprüft werden.

Füllgrad E-Modul in MPa Zugfestigkeit in MPa Bruchdehnung in % Probengewicht in g
50% 943 (+13%) 15,44 (+11%) 2,51 (+2%) 5,36 (+10%)
100% 1477 (+77%) 25,48 (+84%) 3,88 (+58%) 8,19 (+69%)

Die Erhöhung des Füllgrades erhöht sämtliche Festigkeitswerte, sowie das Gewicht der Proben. Eine Erhöhung des Füllgrades von 30% auf 50% erhöht den E-Modul um 13%, die Zugfestigkeit um 11%, sowie die Bruchdehnung um 2%. Das Gewicht steigt dabei um 10%. Eine Füllung mit 100% Material bringt im Vergleich zu einer 30% Füllung einen um 77% erhöhten E-Modul. Die Zugfestigkeit steigt sogar um 84%. Auch die Bruchdehnung steigt um 58%. Dabei steigt das Gewicht um 69%. Die Festigkeitswerte erhöhen sich also in diesem Fall prozentual mehr, als das Probengewicht.

Perimeter Anzahl E-Modul in MPa Zugfestigkeit in MPa Bruchdehnung in % Probengewicht in g
6 1474 (+77%) 25,35 (+83%) 3,01 (+23%) 7,12 (+47%)

Die Erhöhung der Perimeteranzahl von 3 auf 6, bringt eine ähnliche Festigkeitszunahme, wie eine Erhöhung des Füllgrades auf 100%. Der E-Modul steigt ebenso um 77%, die Zugfestigkeit um 83% und die Bruchdehnung nimmt um 23% zu. Dabei steigt das Probengewicht um 47%. Eine ähnlich gute Festigkeit wie bei den 100% gefüllten Proben lässt sich dadurch erklären, dass die Erhöhung der Perimeter Anzahl genau die Festigkeit in Zugrichtung erhöht. Da die Perimeter in Zugrichtung der Proben extrudiert werden, ist die Verschweißung innerhalb eines Perimeters um ein Vielfaches höher als die Verschweißung mit einem “benachbarten” extrudierten Strang. Bei den zu 100% gefüllten Zugstäben wird jede solide Schicht (Solid Layer) um 90° versetzt zu der Vorhergegangen gedruckt. Dadurch ist nur jede zweite Schicht in Zugrichtung der Prüfstäbe gedruckt. Dafür steigt dabei aber vermutlich die Festigkeit quer zur Zugrichtung der Proben, was bei einer Erhöhung der Perimeter vermutlich deutlich weniger ausgeprägt ausfällt.

Düsendurchmesser E-Modul in MPa Zugfestigkeit in MPa Bruchdehnung in % Probengewicht in g
1 mm 1347 (+62%) 21,84 (+57%) 2,69 (+10%) 6,87 (+41%)

Auch die Erhöhung des Düsendurchmessers von 0.4mm auf 1mm bringt eine deutlich erhöhte Festigkeit mit sich. Der E-Modul nimmt um 62% zu, die Zugfestigkeit um 57% und auch die Bruchdehnung erhöht sich um 10%. Dabei nimmt das Gewicht der Proben im Schnitt um 41% zu. Eine Erhöhung der Festigkeitswerte war bei diesen Proben zu erwarten, da die Anzahl der verschweißten Stränge deutlich niedriger ausfällt als bei einer 0.4mm Düse. Um auf eine Probenbreite von 10mm zu kommen, müssten bei der 1mm Düse nur 10 Stränge miteinander verschweißt werden, bei der 0,4mm Düse sind es schon 25 Stränge. Da jede Schweißstelle eine Schwachstelle im Objekt ist, erhöht sich die Festigkeit folglich mit Abnahme der Schweißnahtanzahl.

Layer Height E-Modul in MPa Zugfestigkeit in MPa Bruchdehnung in % Probengewicht in g
0,1 mm 587 (-30%) 9,75 (-30%) 2,13 (-13%) 4,56 (-6%)

Die Verringerung der einzelnen Schichthöhen von 0,2 mm auf 0,1 mm bringt einen deutlichen Abfall der Festigkeitswerte mit sich. Der E-Modul und die Zugfestigkeit sinken jeweils um 30% und auch die Bruchdehnung sinkt um 13%. Ebenso sinkt das Gewicht um 6%. Diese Abnahme der Festigkeitswerte war zu erwarten, da die Anzahl der verschweißten Schichten bei diesen Proben doppelt so hoch ist und, wie bereits erwähnt, jede Verschweißung eine Schwachstelle darstellt. Da eine niedrigere Schichthöhe aber meist gewählt wird, um eine möglichst gute, optische Oberfläche zu erhalten, spielt in diesen Fällen ein Absinken der Festigkeitswerte meist eine untergeordnete Rolle.

Druckgeschwindigkeit E-Modul in MPa Zugfestigkeit in MPa Bruchdehnung in % Probengewicht in g
60 mm/s 534 (-36%) 6,54 (-53%) 2,10 (-14%) 3,44 (-29%)

Die Verdreifachung der Druckgeschwindigkeit auf 60 mm/s verursacht ein Absinken sämtlicher Festigkeitswerte. Der E-Modul sinkt um 36%, die Zugfestigkeit um 53% und die Bruchdehnung um 14%. Allerdings sinkt auch das Probengewicht der Objekte um 29%. Theoretisch sollte eine Änderung der Druckgeschwindigkeit keine Änderung des Probengewichtes nach sich ziehen, jedoch ist es wahrscheinlich, dass das Material nicht ausreichend schnell extrudiert werden konnte. Daher sind die Stäbe im Endeffekt mit weniger Material gedruckt und dementsprechend schlecht gefüllt, beziehungsweise schlecht verschweißt, was sich deutlich auf die Festigkeitswerte auswirkt.

Herstellungsbezogener Vergleich

Im folgenden Teil der Arbeit werden verschiedene Herstellungsverfahren bezüglich E-Modul, Zugfestigkeit und Bruchdehnung miteinander verglichen.

Vergleich FDM und SLS

Für den Vergleich des FDM und des SLS Verfahren werden die lasergesinterten Zugstäbe aus Polyamid 22, sowie Alumide mit den zu 100% gefüllten Polyamid 6 Stäben des FDM-Verfahrens verglichen.

FDM SLS E-Modul in MPa Zugfestigkeit in MPa Bruchdehnung in %
Polyamid 6 100% 18882,4433,05
Polyamid 22 1683 (-11%) 50,51 (+107%) 14,97 (+391%)
Alumide 3862 (+105%) 32,74 (+34%) 1,32 (-57%)

In Bezug auf den E-Modul übertrifft die PA 6 FDM-Zugprobe den lasergesinterten PA 22 Zugstab um 11%. Dafür weist die gesinterte Probe eine 107% höhere Zugfestigkeit auf. Auch die Bruchdehnung ist um 391% deutlich höher, als die des FDM-Zugstabes.

Die aus Alumide gesinterten Proben haben einen um 105% höheren E-Modulverglichen mit den FDM-Proben, und weisen sogar einen nahezu doppelt so hohen E-Modul auf, wie die ABS Spritzguß Proben. Auch die Zugfestigkeit ist um 34% höher als die, der FDM-Probe. Die Bruchdehnung hingegen ist um 57% niedriger, da das Material durch die Beigabe des Aluminiumpulvers sehr spröde wird.

Besonders bei diesem Vergleich muss allerdings beachtet werden, dass sich die verwendeten Materialien nur sehr schwer miteinander vergleichen lassen, da sich PA6, PA22 und besonders Alumide sehr stark unterscheiden. Die ermittelten Werte verstehen sich also nur als grobe Anhaltswerte.

Vergleich FDM und Spritzguß

FDM Spritzguß E-Modul in MPa Zugfestigkeit in MPa Bruchdehnung in %
ABS 2160 43,40 16,65
ABS 100% 1477 (-32% ) 25,48 (-41%) 3,88 (-77%)

Im Vergleich der ABS Zugproben aus dem Spritzgußverfahren mit den ABS Zugproben aus dem FDM-Verfahren zeigt sich, dass die FDM-Proben einen um 32% niedrigeren E-Modul aufweisen. Dementsprechend weist die FDM-Zugprobe also noch 68% des E-Moduls der Spritzguß Probe auf. Die Zugfestigkeit der FDM-Probe liegt 41% unter der, der Spritzguß Probe, die Bruchdehnung 77% darunter.

FDM Spritzguß E-Modul in MPa Zugfestigkeit in MPa Bruchdehnung in %
Polyamid 6 2645 61,32 27,86
Polyamid 6 100% 1888 (-29%) 24,43 (-60%) 3,05 (-89%)

Beim Vergleich der PA Proben zeigt sich ein ähnliches Ergebnis, wie bei dem vorangegangenen ABS Vergleich. Der E-Modul der FDM-Probe liegt 29% unter dem, der Spritzguß Probe, die Zugfestigkeit 60% und die Bruchdehnung 90% darunter. Bezogen auf den E-Modul erreicht also die FDM-Probe 71% der Festigkeit der Spritzguß Probe.

Vergleich FDM

FDM Spritzguß E-Modul in MPa Zugfestigkeit in MPa Bruchdehnung in %
Dimension (ABS) 1930 29,47 2,40
Protos V2 (ABS) 1477 (-23%) 25,48 (-14%) 3,88 (+62%)

Nun werden die beiden FDM-Drucker miteinander verglichen. Zu Vergleichszwecken wird hier der ABS Zugstab aus dem Protos V2 herangezogen, der zu 100% gefüllt ist, da auch die Zugstäbe der Dimension zu 100% gefüllt sind. Der E-Modul des Zugstabes aus dem Protos V2 Drucker besitzt einen 23% niedrigeren E-Modul und eine 14% niedrigere Zugfestigkeit als die Zugprobe aus der Stratasys Dimension. Dafür ist die Bruchdehnung um 62% höher. Hierbei gilt es allerdings zu berücksichtigen, dass ein Gerät der Stratasys Dimension Reihe derzeit etwa das dreißigfache des Protos V2 Druckers kostet.

Auswertung der Bruchbilder

In diesem Kapitel werden die Bruchbilder der einzelnen Versuchsserien gezeigt und mit einem kurzen Kommentar versehen. Die Nummern mit denen die Prüfstäbe auf den Bildern beschriftet sind, entsprechen den Probennummern in den Prüfberichten.

Bruchbilder geordnet nach Material

PLA

Bruchbild PLA

Die PLA Prüfstäbe brechen relativ früh, mit einer geringen Dehnung. Besonders an den letzten drei Proben lässt sich deutlich erkennen, dass die Zugstäbe nicht glatt brechen, sondern Schicht für Schicht zerreißen und daher ein ungleichmäßiges Bruchbild abgeben. Probe 6, die im Prüfbericht einen Sprung hinsichtlich der Zugfestigkeit aufweist, ist zuerst in der Mitte, also innerhalb der Füllstruktur gerissen und wurde danach noch kurz von den Randschichten gehalten, bevor auch diese gerissen sind. Dieser Bruch in zwei “Schritten” ist auch im Prüfbericht wiederzuerkennen.

Soft-PLA

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Buchbild Soft-PLA

Die Prüfstäbe aus Soft-PLA werden sehr stark gedehnt und reißen an der Stelle der Füllstruktur in der Mitte. Die Randschichten sind so dehnbar, dass sie bis zum Ende der Zugprüfung gedehnt werden, ohne zu zerreißen. Am weitesten beziehungsweise längsten wird die Probe Nummer 2 gedehnt.

ABS

Bruchbild ABS

Die Prüfstäbe, die als Vergleichswert herangezogen wurden, haben im Gegensatz zu den PLA Prüfstäben eine glatte Bruchkante. Gut zu erkennen ist, dass die Prüfstäbe teilweise nicht komplett reißen, sondern immernoch am Rand von einigen Perimetern zusammengehalten werden.

PP

Bruchbild PP

Die PP Prüfstäbe haben keine glatte Bruchkante, wie die ABS Proben. Die Brüche wirken eher faserig, es reißen also nicht alle Stränge auf einmal, sondern nacheinander. Die Proben 2 und 5 sind nicht komplett gebrochen, sondern jeweils nur in einer Schicht, woraufhin der Prüfvorgang von der Maschine beendet wurde. Diese beiden Proben weisen eine unzureichende Materialfüllung auf, was sich auch durch das auffallend niedrige Gewicht äußert.

PA6

Bruchbild PA6

Das Bruchbild der PA6 Proben sieht dem Bruchbild, der PLA Prüfstäbe relativ ähnlich. Besonders auffallend ist Probe 4, bei der während der Zugprüfung die komplette Grundschicht abgerissen ist. Aus diesem Grund weichen die Werte dieser Probe im Prüfbericht so weit von den Werten der anderen Zugstäbe ab.

PA6 – 100% Infill

Bruchbild PA6 100% Infill

Im Gegensatz zu den “normalen” PA6 Proben, zeigen die 100% gefüllten und mit einer 1mm Düse gedruckten PA6 Zugstäbe eine glatte Bruchkante. Wegen der hohen Zugbelastung durch die Zugprüfung ist die ursprüngliche Krümmung der Proben 1, 5 und 6 kaum noch zu erkennen.

Bruchbilder geordnet nach Parametern

Füllstruktur – Honeycomb

Bruchbild Füllstruktur Honeycomb

Ähnlich wie die vorangegangenen ABS Proben zeigt auch dieses Bruchbild eine relativ glatte Bruchkante. Die Proben weisen alle ein ähnliches Bruchverhalten auf, ohne Besonderheiten, was sich so auch in dem entsprechenden Prüfbericht widerspiegelt.

Füllgrad – 50% Infill

Bruchbild 50% Infill

Die zu 50% gefüllten ABS Proben zeigen ein deutlich anderes Bruchbild, als die zu 30% gefüllten Proben (Kapitel 6.1.3). Die Proben sind größtenteils nicht komplett gerissen, sondern werden immer noch von einigen Schichten zusammengehalten.

Füllgrad – 100% Infill

Bruchbild 100% Infill

Wie bereits im Prüfbericht dieser Proben aufgezeigt, weisen die Proben 1, 2 und 3 deutliche Mängel auf. Diese lassen sich bereits mit sehr geringer Kraft von Hand zerstören. Die Proben 4, 5 und 6 sind hingegen deutlich solider. Diese Tatsache lässt sich auch sehr gut am Bruchbild erkennen. Während die ersten drei Proben, aufgrund schlechter Verschweißung, in viele Schichten und einzelne Stränge zerreißen, zeigen die letzten drei Proben eine Bruchkante.

Perimeter – 6 Perimeter

Bruchbild 6 Perimeter

Auch die Prüfstäbe mit sechs Randschichten bilden eine Bruchkante. Teilweise lassen sich weiße Stellen in den Prüfstäben erkennen, was auf hohen Zugkräfte innerhalb der Probe, während der Zugprüfung, hinweist.

Düsendurchmesser – 1mm

Bruchbild Düsenmesser 1 mm

Die Prüfstäbe, die mit der 1mm Düse gedruckt wurden, brechen auch teilweise nicht komplett. Wie bei den Proben mit sechs Perimetern lassen sich auch hier weiße Stellen in den Zugstäben erkennen. Dies deutet auf eine homogene Verteilung der Zugkräfte im Prüfkörper hin, was nur möglich ist, wenn keine große Schwachstelle innerhalb der Probe vorliegt.

Schichtstärke – 0,1mm

Bruchbild Schichtstärke 0,1 mm

Die Zugproben mit 0.1mm Schichtstärke weisen eine glatte Bruchkante auf und zeigen ansonsten keine Besonderheiten, was so auch vom entsprechenden Prüfbericht wiedergegeben wird.

Druckgeschwindigkeit – 60mm/s

Bruchbild Geschwindigkeit 60 mm/s

Die mit dreifacher Geschwindigkeit (60mm/s) gedruckten Proben weisen alle eine unzureichende Materialfüllung auf. Dies lässt sich sowohl am Probengewicht, als auch am Prüfbericht erkennen. Im Bruchbild lässt sich diese schlechte Verschweißung besonders am Bruch der Probe 5 erkennen, wo sich viele einzelne Schichten und Stränge voneinander gelöst haben.

Bruchbilder geordnet nach Herstellungsverfahren

Spritzguß – Polyamid

Bruchbild Spritzguß Polyamid

Die Spritzgußproben aus PA weisen, wie vermutet, keine Besonderheiten bezüglich des Bruchbildes auf. Die Bruchkante ist glatt, wie von homogenen Spitzgußproben aus PA erwartet.

Spritzguß – ABS

Bruchbild Spritzguß ABS

Die spritzgegossenen Proben aus ABS zeigen eine starke Einschnürung im Bereich des Bruches. Diese Art der Einschnürung ist bei keinen anderen Proben zu erkennen. Das spritzgegossene ABS zeigt also ein duktiles Werkstoffverhalten, wohingegen die anderen Materialien ein eher sprödes Verhalten zeigen. Ansonsten sind auch hier die Bruchkanten glatt und ohne weitere Besonderheiten.

SLS – Alumide

Bruchbild SLS Alumide

Die Laser gesinterten Alumide-Zugstäbe zeigen eine glatte Bruchkante. Diese Proben sind sehr spröde, und weisen eine sehr geringe Bruchdehnung auf, wodurch die Proben sehr früh, während der Zugprüfung, gerissen sind. Diese Proben sind die Einzigen, die während der Zugversuche im Moment des Bruches gesplittert und nahe der Bruchstelle teilweise abgeplatzt sind.

SLS – PA

Bruchbild SLS – PA

Wie die Alumide Proben, zeigen auch die lasergesinterten Proben, anhand des Bruchbildes, keine weiteren Besonderheiten. Die einzelnen Schichten sind ebenfalls sehr gut miteinander verschweißt, wodurch es zu einem glatten Bruch kommt.

FDM Stratasys Dimension

Bruchbild Stratasys Dimension

Die ABS Zugstäbe aus der Stratasys Dimension zeigen ebenfalls keine Besonderheiten. Wie aufgrund des Prüfberichtes zu erwarten, haben die Zugstäbe alle ein ähnliches Bruchverhalten.

Fazit

Die Festigkeitswerte, von Objekten, die mit dem neuen Herstellungsverfahren des 3D-Druckes produziert wurden, mit Werten von herkömmlichen Verfahren zu vergleichen, sowie Änderungen dieser Werte, innerhalb des FDM-Druckes mit verschiedenen Parametereinstellungen, zu überprüfen, war sehr aufschlussreich.

Wie bereits erwartet, erreicht das PA6 Material beim FDM-Druck die höchsten Festigkeitswerte. Nachteilig ist bei diesem Material der hohe Verzug, der bei den solide gefüllten PA6 Zugstäben die gekrümmte Form verursacht hat, die zum frühen Reißen einiger Proben während der Zugprüfung führte. Bei diesem PA6 handelt es sich allerdings noch um ein experimentelles Material. Nach einigen Materialversuchen findet sich eventuell ein PA6-Material mit gleichen Festigkeitseigenschaften und gleichzeitig geringerem Verzug. Der große Einfluss der Perimeter auf die Zugfestigkeit ist sehr interessant. Durch die Erhöhung der Perimeteranzahl lassen sich mit verhältnismäßig wenig, verwendetem Material, hohe Festigkeitswerte erreichen. Dies gilt allerdings nur für den Fall, dass die wirkenden Zugkräfte in Extrusionsrichtung der Perimeter gerichtet sind. Wenn auf eine hohe Festigkeit wert gelegt wird, muss ein Druckobjekt also entsprechend im Bauraum des Druckers angeordnet werden. Eine weitere Möglichkeit die Festigkeit eines Druckobjektes zu erhöhen, besteht darin eine Düse mit größerem Durchmesser zu verwenden. So entstehen weniger Schweißnähte und dementsprechend mehr homogen extrudierte Materialstränge, was folglich eine höhere Festigkeit mit sich bringt. Ähnliches gilt vermutlich für die Erhöhung der Schichtstärke, da auch dabei weniger Schweißnähte entstehen. Eine Erhöhung der Schichtstärke wurde allerdings im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht. Die getestete Verringerung der Schichtstärke bringt aber ein starkes Abfallen der Festigkeitswerte mit sich. Beim Vergleich der Herstellungsprozesse ist es erstaunlich, welche Festigkeiten mit den 3D- Druckverfahren erreicht werden können, obwohl die Objekte aus zahlreichen Verschweißungen entstehen und demzufolge eine niedrigere Festigkeit aufweisen als spritzgegossene Objekte. Im Rahmen dieses Vergleiches zeigen sich auch Unterschiede zwischen den beiden FDM-Maschinen.

Die Dimension der Firma Stratasys produziert etwas stabilere Zugobjekte, als der Protos V2 der Firma German RepRap. Dies lässt sich zum einen auf die teurere und hochwertigere Technik der Dimension zurückführen, wie beispielsweise genauere Achs-Antriebe oder einen beheizten Bauraum. Möglicherweise entsteht auch durch das, von Stratasys verwendete, ABS-Rohmaterial eine höhere Festigkeit. Überraschend waren die Festigkeitswerte des lasergesinterten Alumide Materials. Vermutlich wird bei diesem Material während des Schmelzvorgangs nicht nur das PA Material miteinander verschmolzen, sondern auch einzelne Aluminium Partikel, was sehr hohe Festigkeitswerte zur Folge hat.

Bei den, im Rahmen dieser Arbeit ermittelten Festigkeitswerten, handelt es sich nur um Anhaltspunkte bezüglich der Festigkeit. Für genauere Ergebnisse sollten deutlich mehr Zugstäbe pro Serie produziert werden, um trotz fehlerhafter Proben eine ausreichende Menge an aussagekräftigen Proben zu erhalten. Des Weiteren könnten die Ergebnisse besser miteinander verglichen werden, wenn die Spritzguß Zugstäbe aus genau dem gleichen ABS und PA Rohstoff gespritzt werden, aus dem auch das Filament für die FDM-Drucker hergestellt wurde. Dasselbe gilt für den Vergleich der beiden FDM-Maschinen, da bei der Stratasys Dimension ein anderer ABS Rohstoff zum Einsatz kommt, als bei dem Protos V2 von German RepRap. Außerdem könnten die Werkstoffprüfungen ausgedehnt werden, um beispielsweise Festigkeitswerte von Biege-, beziehungsweise Kerbschlagversuchen mit abzudecken.

Trotzdem liefert diese Arbeit sehr aufschlussreiche Anhaltswerte bezüglich der Festigkeit gedruckter Objekte, sowohl im Vergleich mit anderen Herstellungsprozessen, als auch mit geänderten Parametereinstellungen innerhalb des 3D-Druckes.

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