3D-gedruckte Teile: Das Verhältnis zwischen Festigkeit und Steifigkeit

Wichtige Definitionen und Grundlagen

Stärke

Festigkeit beschreibt, wie viel Last ein Bauteil aushält, bevor es versagt. Man kann sich Festigkeit als die Fähigkeit des Bauteils vorstellen, nicht zu brechen oder sich dauerhaft zu verformen. Eine stabile Klammer schnappt zurück oder hält etwas fest, anstatt zu brechen, wenn man daran zieht.

Steifheit

Die Steifigkeit beschreibt, wie stark sich ein Bauteil unter Belastung biegt oder verformt. Eine steife Regalhalterung gibt kaum nach, wenn man das Regal belastet; eine flexible hingegen biegt sich deutlich. Die Steifigkeit beantwortet die Frage: Behält das Bauteil seine Form bei normalem Gebrauch?

Zähigkeit und Duktilität

Diese beiden Eigenschaften hängen eng mit Festigkeit zusammen. Zähigkeit beschreibt, wie viel Energie ein Bauteil aufnehmen kann, bevor es bricht. Duktilität hingegen gibt an, wie stark ein Material dauerhaft verformt werden kann, bevor es bricht. Ein zähes Material ist möglicherweise nicht sehr steif, kann aber Stöße aushalten, ohne zu zersplittern.

Warum Geometrie wichtig ist

Die Steifigkeit hängt stark von der Form des Bauteils ab. Ein dünner, flacher Streifen lässt sich leicht biegen, während dasselbe Material, beispielsweise als dickerer Balken oder mit Rippen, deutlich schwerer zu biegen ist. Daher kann man die Steifigkeit eines Bauteils oft durch eine Formänderung anstatt durch einen Materialwechsel erhöhen.

Festigkeit = „Wie viel Kraft ist nötig, bis es zum Bruch kommt?“

Steifigkeit = „Wie stark biegt es sich unter dieser Kraft?“

Wie Steifigkeit und Festigkeit zusammenhängen

Steifigkeit und Festigkeit hängen zwar zusammen, aber sie steigen oder fallen nicht immer gleichzeitig.

• Ein hartes, sprödes Material kann sehr steif (biegt sich kaum) und bis zu einem gewissen Grad auch stark sein, aber es kann plötzlich und ohne Vorwarnung brechen.

• Ein weiches, gummiartiges Material kann sehr flexibel (geringe Steifigkeit) und dennoch zäh sein; es dehnt sich stark, bevor es bricht, und kann daher Stöße überstehen, die ein sprödes Stück zerbrechen würden.

Durch Formeffekte lässt sich ein Bauteil deutlich steifer gestalten, ohne das Material zu ändern. Beispielsweise kann das Hinzufügen einer dicken Rippe oder das Verschieben des Materials weiter weg vom Bauteilmittelpunkt die Biegung drastisch reduzieren. Manchmal ist dies wesentlich effektiver als die Verwendung eines steiferen Materials.

Häufige Situationen aus dem Alltag:

• Ein Bauteil, das die Steifigkeitsanforderungen erfüllt, aber dennoch versagt: Es biegt sich unter Last kaum durch, aber eine kleine Spannungskonzentration (eine scharfe Ecke oder eine dünne Wand) verursacht einen Riss und einen Bruch.

• Ein Bauteil, das zwar stabil, aber zu flexibel ist: Es bricht zwar nicht unter Belastung, biegt sich aber so stark, dass es seine Funktion nicht mehr erfüllt.

Materialeffekte

Gängige Thermoplaste (FDM / FFF)

• Beispiele, von denen Sie wahrscheinlich schon gehört haben, verhalten sich unterschiedlich: Einige sind ziemlich steif, aber spröde, andere sind zäher und flexibler.

• Steife Materialien sind zwar biegefest, können aber bei plötzlicher Belastung brechen. Härtere Kunststoffe lassen sich stärker biegen, bevor sie brechen.

• Bei vielen Filamentmaterialien hängt die Leistung stark von der Art des Drucks ab: Ausrichtung, Temperatur und Schichteinstellungen beeinflussen die tatsächliche Leistung erheblich.

Harze (SLA / DLP)

• Harzteile können sehr detailliert sein und fühlen sich oft steif und präzise an.

Die Nachhärtung nach dem Druck (das Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Harzteilen) macht diese härter und steifer, aber eine Überhärtung kann sie spröde machen. Es gibt auch robustere Harzformulierungen, die entwickelt wurden, um Sprödigkeit zu vermeiden.

Pulverbasierte Kunststoffe (SLS/MJF)

• Diese Bauteile wirken oft gleichmäßiger und weniger geschichtet als FDM-Bauteile. Sie bieten eine gute Mischung aus Festigkeit und Flexibilität und sind den billigen Filamentbauteilen in puncto gleichbleibendes mechanisches Verhalten meist überlegen.

Metalle (SLM)

• Metallgedruckte Teile sind in der Regel sowohl steif als auch fest – ähnlich wie konventionell gefertigte Metallteile –, jedoch nur, wenn der Druck und die Wärmebehandlung korrekt durchgeführt werden. Kleinste innere Fehler oder Pulverreste können die Festigkeit beeinträchtigen, daher ist die Nachbearbeitung entscheidend.

Verbundwerkstoffe und faserverstärkte Drucke

• Durch das Hinzufügen von Fasern oder durchgehenden Verstärkungssträngen lassen sich Steifigkeit und Festigkeit in Faserrichtung drastisch erhöhen. Dies ist ein wirksames Mittel, wenn eine hohe Steifigkeit in einer Richtung erforderlich ist, ohne überall große Materialmengen einzubringen.

Nachbearbeitung und Behandlungen , die die Steifigkeit oder Festigkeit verändern

Wärmebehandlung

Durch das Erhitzen gedruckter Teile unter kontrollierten Bedingungen lässt sich die innere Haftung verbessern und innere Spannungen abbauen. Bei einigen Kunststoffen kann eine Wärmebehandlung die Steifigkeit und Dimensionsstabilität erhöhen.

Metallgedruckte Bauteile werden häufig einer Wärmebehandlung unterzogen, um die gewünschte Festigkeit und Haltbarkeit zu erreichen.

UV-Nachhärtung

Harzgedruckte Teile werden nach dem Druckvorgang üblicherweise zusätzlich mit ultraviolettem Licht belichtet. Dieser zusätzliche Aushärtungsschritt schließt die chemische Reaktion im Material ab und macht das Bauteil härter und steifer.

Übermäßiges Aushärten kann jedoch auch dazu führen, dass manche Harze spröder werden.

Chemische Glättung

Manche gedruckten Teile, insbesondere solche aus porösen Materialien, können mit Harzen oder anderen Chemikalien getränkt werden, die kleinste Lücken in der Struktur füllen. Durch chemisches Glätten lässt sich die Festigkeit verbessern und das Teil rissbeständiger machen.

Oberflächenbeschichtungen

Durch das Aufbringen von Beschichtungen wie Epoxidharz oder Schutzschichten lässt sich die Steifigkeit leicht erhöhen und die Haltbarkeit verbessern. Beschichtungen können Bauteile außerdem vor Feuchtigkeit und Umwelteinflüssen schützen.

Heißisostatisches Pressen für Metallteile

Bei der additiven Fertigung von Metallen können durch spezielle Druck- und Wärmebehandlungen innere Poren entfernt und die Gesamtfestigkeit verbessert werden. Das HIP-Verfahren trägt dazu bei, dass gedruckte Metallteile ähnliche Eigenschaften wie konventionell gefertigte Bauteile aufweisen.