Englisch 
japanisch 
Deutsch 
Die mechanischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Bauteilen variieren je nach Bauorientierung, Schichthaftung und Prozessparametern. Diese Anisotropie bedeutet, dass Konstruktionsentscheidungen die Festigkeit direkt beeinflussen. Ingenieure müssen daher neben der Materialauswahl auch Geometrie, Orientierung und die Wechselwirkungen zwischen Prozess und Konstruktion berücksichtigen, um bestimmte mechanische Eigenschaften zu erzielen.
Dieser Artikel erläutert, wie sich das Design auf die wichtigsten festigkeitsbezogenen Eigenschaften von 3D-gedruckten Teilen auswirkt, darunter Zug-, Biege-, Druck-, Schlag- und Ermüdungsfestigkeit, bevor er Designparameter und Strategien untersucht, die die Leistung bei verschiedenen 3D-Druckverfahren verbessern.
Zugfestigkeit
Was ist das?
Die Zugfestigkeit ist die maximale Spannung, die ein Material unter Dehnung aushält, bevor es bricht. Beim 3D-Druck wird die Zugfestigkeit stark von der Anisotropie beeinflusst: Bauteile sind typischerweise entlang der Schichtebene fester und quer zu den Schichten schwächer. Bauorientierung, Fülldichte und Wandstärke spielen dabei eine entscheidende Rolle.
Beispiel
Ein im FDM-Verfahren mit 100 % Füllung und ausgerichteten Schichten gedruckter Zugstab kann bis zu 70–80 % der Zugfestigkeit des Polymers erreichen. Dieselbe Geometrie, vertikal gedruckt, kann aufgrund schwacher Haftung zwischen den Schichten bei weniger als der Hälfte dieses Wertes versagen. Bei der additiven Fertigung von Metallen kann die Zugfestigkeit durch Heißisostatisches Pressen (HIP) nahezu die Werte von geschmiedeten Bauteilen erreichen.
Biegefestigkeit
Was ist das?
Die Biegefestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Verformungen unter Biegebelastung zu widerstehen. Bei 3D-gedruckten Bauteilen ist diese Eigenschaft von der Schichthaftung, der Geometrie und der Oberflächenbeschaffenheit abhängig. Schwache Haftung zwischen den Schichten oder raue Oberflächen können zu vorzeitigem Ablösen oder Rissbildung führen.
Beispiel
Ein mittels SLA-Verfahren gedruckter Balken weist aufgrund der isotropen Aushärtung oft eine höhere Biegefestigkeit auf als ein mittels FDM-Verfahren hergestellter Balken, kann jedoch spröde sein. Im Gegensatz dazu kann eine topologieoptimierte, mittels SLM gefertigte Metallhalterung nach der Nachbearbeitung eine mit gefrästem Aluminium vergleichbare Biegefestigkeit erreichen.
Bildrechte © 3DSPRO Limited. Alle Rechte vorbehalten.
Druckfestigkeit
Was ist das?
Die Druckfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Belastungen standzuhalten, die seine Größe verringern. Bei der additiven Fertigung wird das Druckverhalten durch das Füllmuster, die Wandstärke und die Ausrichtung des Bauteils beeinflusst. Gitter- und Zellstrukturen sind besonders relevant, da sie hinsichtlich der Energieabsorption optimiert werden können.
Beispiel
Eine Gyroid-Füllstruktur in Polymer-AM kann im Verhältnis zu ihrem Gewicht hohe Druckbelastungen aufnehmen und eignet sich daher für Schutzpolster. In biomedizinischen Anwendungen werden poröse Titanimplantate mittels EBM hergestellt, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Druckfestigkeit und knochenähnlicher Elastizität zu erzielen .
Schlagfestigkeit
Was ist das?
Die Schlagzähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Energie bei plötzlicher Belastung ohne Bruch zu absorbieren. Sie ist entscheidend für Anwendungen, bei denen Stöße oder Kollisionen zu erwarten sind. Bei der additiven Fertigung wird die Schlagzähigkeit häufig durch mangelhafte Haftung zwischen den Schichten oder spröde Materialien begrenzt.
Beispiel
Ein SLA-Harzbauteil kann aufgrund seiner Sprödigkeit bei einem Falltest brechen, während ein kohlenstofffaserverstärktes FDM -Bauteil deutlich mehr Energie absorbieren kann. Abgerundete Ecken und Verrundungen im Design verbessern die Stoßfestigkeit zusätzlich, indem sie die Spannungskonzentration reduzieren.
Ermüdungsresistenz
Was ist das?
Die Dauerfestigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Werkstoffs, zyklischer Belastung ohne Versagen standzuhalten. Bei additiv gefertigten Bauteilen wird die Dauerfestigkeit häufig durch Oberflächenrauheit, Porosität und Anisotropie reduziert. Risse entstehen typischerweise an Schichtgraten oder Hohlräumen.
Beispiel
Eine aus Metall mittels additiver Fertigung hergestellte Turbinenschaufel kann unter zyklischer Belastung vorzeitig versagen, wenn sie im unbearbeiteten Zustand belassen wird . Nachbearbeitungsverfahren wie Polieren oder Heißisostatisches Pressen (HIP) können die Dauerfestigkeit jedoch auf ein mit konventionell gefertigten Schaufeln vergleichbares Niveau verlängern. Bei Polymeren verbessert die Ausrichtung der Schichten entlang der Hauptspannungsrichtung die Dauerfestigkeit deutlich.
Bildrechte © 3DSPRO Limited. Alle Rechte vorbehalten.
Konstruktionsparameter, die die Festigkeit beeinflussen
1. Geometrie- und Topologieoptimierung: Gitterstrukturen reduzieren das Gewicht, müssen aber so konstruiert sein, dass Spannungsspitzen vermieden werden. Die Topologieoptimierung richtet die Materialverteilung an den Lastpfaden aus.
2. Aufbauorientierung: Bestimmt die Anisotropie in Polymeren und die Kornstruktur in Metallen. Entscheidend für die Ausrichtung tragender Elemente entlang stärkerer Richtungen.
3. Schichthöhe und Auflösung: Kleinere Schichthöhen verbessern die Haftung zwischen den Schichten in Polymeren und verringern die Defektgröße in Metallen.
4. Tragkonstruktionen: Eine unsachgemäße Tragkonstruktion kann zu Eigenspannungen und Verformungen führen.
5. Fülldichte und -muster: Beeinflusst direkt die Zug-, Druck- und Schlagfestigkeit.
Konstruktionsstrategien für erhöhte Festigkeit
1. Optimierung der Gebäudeausrichtung
• Prinzip: Die kritischen Lastpfade sollen an den stärksten Materialrichtungen ausgerichtet werden.
• Polymere (FDM, SLA, DLP ):
Die Zugelemente sollten in der XY-Ebene gedruckt werden, um die Haftung zwischen den Schichten zu maximieren.
Vermeiden Sie eine Belastung entlang der Z - Achse, da dort die Wahrscheinlichkeit einer Delamination am größten ist.
• Metalle (SLM, EBM):
Die Bauteile sollten so ausgerichtet werden, dass ungestützte Überhänge und die Entstehung von Eigenspannungen minimiert werden.
Beachten Sie die Kornwachstumsrichtung, da säulenförmige Körner die Anisotropie beeinflussen können.
• Verbundwerkstoffe: Die Faserverstärkung sollte entlang der Hauptspannungsrichtungen ausgerichtet werden, um den größtmöglichen Nutzen zu erzielen.
2. Geometrie- und Topologieoptimierung
Nutzen Sie computergestützte Verfahren, um nicht tragendes Material zu entfernen und gleichzeitig die Steifigkeit zu erhalten.
Besonders effektiv bei Leichtbauprojekten in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau.
• Gitter- und Zellstrukturen:
Gyroid-, Diamant- und Wabenstrukturen bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Gewichtsreduzierung und Druckfestigkeit.
Muss so abgestimmt sein, dass Spannungsspitzen an den Knotenpunkten vermieden werden.
• Schalen - Kern-Konstruktionen: Massive Außenschalen in Kombination mit leichten Gitterkernen sorgen für ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht .
3. Füllmaterial- und Dichtekontrolle
• Fülldichte: Eine höhere Dichte erhöht die Zug- und Druckfestigkeit, führt aber zu höherem Gewicht und längerer Bauzeit.
• Füllmuster: Kontinuierliche Muster (z. B. Gyroid) verteilen die Spannung gleichmäßiger als geradlinige oder dreieckige Füllungen.
• Gradientenfüllung: Variable Dichte, angepasst an lokale Spannungsbereiche, verbessert die Effizienz.
4. Schichthöhe und Auflösung
• Kleinere Schichthöhen:
Verbesserung der Zwischenschichthaftung in Polymeren.
Verringerung der Defektgröße in Metallen, wodurch das Risiko der Rissbildung gesenkt wird.
• Abwägung : Feinere Schichten erhöhen die Bauzeit und die Kosten, sodass ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Produktivität gefunden werden muss.
5. Entwurf der Tragkonstruktion
• Mechanische Funktion: Die Stützen stabilisieren nicht nur Überhänge, sondern beeinflussen auch die Verteilung der Eigenspannungen.
• Designüberlegungen:
Minimieren Sie die Kontaktfläche, um Schäden durch die Nachbearbeitung zu reduzieren.
Die Stützen sind so auszurichten, dass Spannungsspitzen in kritischen Lastpfaden vermieden werden.
6. Nachbearbeitungsintegration
• Wärmebehandlung: Sie beseitigt Eigenspannungen und verbessert die Duktilität von Metallen.
• Heißisostatisches Pressen (HIP): Beseitigt Porosität in der additiven Fertigung von Metallen und verbessert so die Dauerfestigkeit deutlich.
• Oberflächenveredelung : Durch Polieren, maschinelle Bearbeitung oder Kugelstrahlen wird die Oberflächenrauheit verringert und die Rissbildung verzögert.
• Infiltration und Beschichtungen: Polymerinfiltration (z. B. Epoxidharz) oder metallische Beschichtungen verbessern Festigkeit und Haltbarkeit.
7. Materialauswahl und Verstärkung
• Verstärkte Polymere: Mit Kohlenstofffasern, Glasfasern oder Kevlar gefüllte Filamente verbessern die Zug- und Biegefestigkeit.
• Hochleistungskunststoffe : SLA - Kunststoffe in technischer Qualität bieten einen höheren Elastizitätsmodul und eine höhere Zähigkeit.
• Metalllegierungen: Nickelbasierte Superlegierungen und Titanlegierungen bieten überlegene Festigkeit für die Luft- und Raumfahrt.
• Mehrmaterialdruck : Funktional abgestufte Materialien ermöglichen eine lokale Verstärkung.
Häufig gestellte Fragen
F: Warum sind 3D-gedruckte Teile oft schwächer als herkömmlich hergestellte Teile?
A: Aufgrund von Anisotropie, Porosität und schwächerer Zwischenschichtbindung. Durch geeignete Konstruktion und Nachbearbeitung lassen sich diese Probleme mindern.
F: Welches 3D-Druckverfahren erzeugt die stabilsten Teile?
A: Metall-AM-Verfahren wie SLM oder EBM können nach der Nachbearbeitung nahezu die Festigkeit von Schmiedeteilen erreichen. Bei Polymeren bieten SLA- und verstärkte FDM-Verbundwerkstoffe je nach Anwendung hohe Festigkeiten.
F: Wie wirkt sich das Füllmuster auf die Festigkeit aus?
A: Dichte oder kontinuierliche Muster (z. B. Gyroid) verteilen die Spannung gleichmäßiger und verbessern so die Zug- und Druckfestigkeit im Vergleich zu spärlichen oder geradlinigen Füllungen.
F: Können 3D-gedruckte Teile in tragenden Anwendungen eingesetzt werden?
A: Ja, vorausgesetzt, Design, Ausrichtung und Nachbearbeitung sind optimiert. Die Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Medizinbranche setzen bereits additiv gefertigte Bauteile für strukturelle Anwendungen ein.
F: Was ist der wichtigste Konstruktionsaspekt im Hinblick auf die Festigkeit?
A: Die Ausrichtung des Aufbaus ist oft der wichtigste Faktor, da sie die Anisotropie und die Bindung zwischen den Schichten bestimmt.
0
