Die Oberflächenqualität verschiedener 3D-Drucktechnologien

Beitragsbild Oberflächenrauheiten verschiedener 3D-Druckverfahren

Quelle: 3Faktur, EAH Jena

Die Qualität der Oberflächen bei den unterschiedlichen 3D-Druckverfahren variiert zum Teil sehr stark. Neben dem 3D-Druckverfahren spielt aber auch das zu druckende Objekt und die Positionierung im Drucker eine große Rolle für die Oberflächenbeschaffenheit des Objektes. Bei den Verfahren, die Supportmaterial benötigen ergeben sich insbesondere an den Kontaktstellen zwischen Support und eigentlichem Objekt, Bereiche, die besondere Aufmerksamkeit erfordern.

Wir haben für Sie ausführliche Informationen zu den Oberflächeneigenschaften je 3D-Drucktechnologie aufgeführt. Klicken Sie auf das jeweilige Verfahren, um mehr zu erfahren.

Selektive Aushärtung flüssiger Polymere

Nach diesem Wirkungsprinzip funktionieren mehrere 3D-Druckverfahren, u. a. Stereolithografie (SLA/STL), Digital Light Processing (DLP), Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) und Continuous Liquid Interface Production (CLIP). Bei diesen Verfahren sind immer Supportstrukturen notwendig.

Das flüssige Ausgangsmaterial wird durch eine selektive Belichtung an den vorgegebenen Stellen ausgehärtet. Die o. g. Verfahren unterschieden sich hinsichtlich der dazu verwendeten Belichtungsquellen (Stereolithografie → Laser; Digital Light Processing → Projektor) und der Auflösung in der Z-Richtung (CLIP → keine Schichten; alle anderen Verfahren Schichtstärke: 20 – 100 µm) bzw. X-Y-Richtung (2PP: Auflösung im Nanometerbereich).

Oberflächenqualität

Die Oberflächenrauheit unterscheidet sich bei der Stereolithografie stark von der Ausrichtung im Drucker. Währenddem die Oberseite bereits ohne Nacharbeit beim Ra Wert im niedrigen einstelligen µm Bereich liegt, ist die Unterseite aufgrund der Supportstrukturen sehr rau.

Das Material (auf Epoxid-Basis) lässt sich jedoch relativ einfach nacharbeiten. Da das Material weitgehend porenfrei ist, erreicht man durch Strahlen oder manuelles Schleifen sehr gute Oberflächenwerte (siehe Abbildung für Details).

Oberflaechenrauheit Ra und Rz Werte Stereolithografie

Abbildung: Oberflächenrauheit Stereolithografie
Quelle: 3Faktur; EAH Jena

Finishing Optionen

Auf der Supportseite erfolgt i.d.R. die Bearbeitung mit Sandpapier. Um homogene Oberflächen zu erhalten, können die Objekte auch gestrahlt (i.d.R. Korund) werden.

Mikroskopische Aufnahme unbearbeitet Support-Seite im Stereolithografie Verfahren

Support-Seite unbearbeitet; Ra 13,3 µm / Rz 113,71

Mikroskopische Aufnahme Support-Seite Korund-gestrahlt im Stereolithografie Verfahren

Support-Seite Korund-gestrahlt; Ra 4,6 µm / Rz 29,8

Mikroskopische Aufnahme Support-Seite Korund-gestrahlt und anschließend geschliffen im Stereolithografie Verfahren

Support-Seite Korund-gestrahlt und anschließend geschliffen; Ra 0,4 µm / Rz 3,3

Abbildung: Mikroskopische Aufnahme der Oberflächen (Unterseite) von Stereolithgrafie-Bauteilen
Quelle: 3Faktur; EAH Jena; Der Druck erfolgte auf einer Raplas 450 HD mit dem Material RR60Cl (Hochauflösendes Epoxid).

Anwendungen

Die Objekte sind weitgehend porenfrei und durch wiederholendes Schleifen können sehr gute Oberflächen erzeugt werden. Diese Objekte können dadurch neben den „normalen“ Rapid Prototyping Anwendungen auch für Urformen verwendet werden, oder für Anwendung die eine Lackierung erfordern.

Schichtaufbau (schematisch)

Oberflaeche Stereolithografie Schematisch
  • X – Y Ebene: Flächen, welche waagerecht zur Bauplattform gedruckt werden, weisen eine sehr gute, glatte Oberfläche auf. Eine Ausnahme bilden die Flächen, an denen Supportstrukturen angebracht sind, dort können Rückstände sichtbar sein (nicht dargestellt).
  • Z Ebene: Die Schichten sind wahrnehmbar durch minimale Ungenauigkeiten beim Druck, bzw. dadurch, dass Übergänge nicht kontinuierlich, sondern immer nur im Abstand einer Schicht (meist ~50 – 100 µm) realisiert werden (Abbildung: rechts & links). Diese Schichten können weitgehend mit (abrasiven) Nachbearbeitungsverfahren entfernt werden (rote Linie).
  • Besonderheit: Da der Druckprozess in aller Regel nicht im Vakuum stattfindet, können sich minimale Lufteinschlüsse bilden. Diese sind jedoch meist mit bloßem Auge nicht erkennbar.

Druckbeispiel

Oberflächenqualität Stereolithografie Detailausschnitt
Oberflächenqualitiät Stereolithografie Seite

Design: Thingiverse | LuluPaw

Druckbeispiel

Diese 4,5 cm große Eulenfigur wurde in grauem Stereolithografie Standardmaterial gedruckt. Selbst in der stark vergrößerten Aufnahme sind die Druckschichten kaum zu erkennen. Nur vereinzelt ist eine Druckschicht identifizierbar.

Pulverbasierte Verfahren

Die Bekanntesten bzw. am häufigsten verwendeten Verfahren sind das HP Multi Jet Fusion, Selektive Lasersintern, und das Colorjet-Verfahren. Dabei werden pulverförmige Ausgangsmaterialien selektiv gebunden. Dies kann durch einen chemischen Prozess (verkleben) wie beim Colorjet-Verfahren geschehen oder durch ein thermisches Verfahren (SLS → Laser; HP Multi Jet Fusion → Infrarot). Mit Ausnahme vom Metalldruck (SLM), sind Supportstrukturen bei diesen Formen der additiven Fertigung nicht notwendig, da das Objekt vollständig im Materialpulver eingebettet ist.

Oberflächenqualität

Die Oberflächen der Objekte sind von guter Qualität. Durch das Wegfallen der Supportstrukturen sind die Flächen weitgehend homogen. Materialbedingt (∅ ca. 60 µm Pulverkörner) entstehen Löcher/Poren auf der Objektoberfläche. Dadurch können selbst beim Schleifen keine gänzlich glatten Oberflächen erzeugt werden. Dabei unterscheiden sich allerdings die Verfahren, bspw. erzeugt das Lasersintern porösere Teile als das HP Jet Fusion Verfahren (Mehr Details: Lasersintern vs. HP jet Fusion).

Oberflaechenrauheit Ra und Rz Werte Lasersintern
Oberflaechenrauheit Ra und Rz Werte HP Jet Fusion

Abbildung: Oberflächenrauheit Lasersintern & HP Jet Fusion
Quelle: 3Faktur; EAH Jena

Finishing Optionen

Gängige Verfahren zur Nachbearbeitung sind das Schleifen, Strahlen oder der Gleitschliff (insb. SLS). Damit können die Oberflächen geglättet werden, jedoch kann die Oberflächenqualität von flüssigkeitsbasierten Verfahren nicht erreicht werden. Eine nahezu porenfreie Oberfläche zu erzeugen ist nur mit sehr großem Aufwand möglich (Vakuuminfusionen oder ein mehrstufiges Verfahren der Oberflächenverfüllung mit anschließendem mehrfachen Schliff).

Im Beispiel unten wurden Lasersinter-Teile mit Epoxidharz im Vakuum infiltriert und anschließend geschliffen. Durch den Verschluss der Poren kann eine sehr gute Oberflächenqualität erreicht werden. Praktisch ist dies allerdings in den meisten Fällen zu aufwändig. Sind Ra-Werte von 1 µm (+/-) gefragt, greift man meist zur Stereolithografie oder dem Polyjet-Verfahren.

Lasersintern Oberflächenrauheit unbearbeitet

Lasersintern | PA2200 (unbearbeitet); Ra 13,1 / Rz 90,5

Lasersintern Oberflächenrauheit Nachbearbeitung Korund-Strahlen

Lasersintern | PA2200 (Korund-gestrahlt); Ra 6 / Rz 38,7

Lasersintern Oberflächenrauheit Nachbearbeitung Epoxid-Infiltration Schleifen

Lasersintern | PA2200 (Epoxid-infiltriert und geschliffen); Ra 1,3 / Rz 9,3

Abbildung: Mikroskopische Aufnahme der Oberflächen von Lasersinter-Bauteilen
Quelle: 3Faktur; EAH Jena; Der Druck erfolgte auf einer EOS P390 mit dem Material PA2200.

Anwendungen

Alle typischen Anwendungen des Rapid Prototypings sowie Funktionsteile (Rapid Manufacturing). Insbesondere Multi Jet Fusion und Lasersintern sind aufgrund ihrer Kosteneffizienz, hohen Qualität der Bauteile und Geschwindigkeit beliebte Verfahren um voll funktionale Bauteile herzustellen.

Schichtaufbau (schematisch)

Oberflaeche Lasersintern Schematisch
  • X – Y Ebene: Keine homogenen Flächen möglich, durch die Pulverform des Materials entstehen kleinste Poren.
  • Z Ebene: Verfahrensbedingt gilt hier dasselbe wie für die X-Y Ebene.
  • Besonderheit: Poren können durch Infiltration teilweise „geschlossen“ werden. Schleifen bringt nur bedingt eine Qualitätssteigerung.

Druckbeispiel

Oberflächenqualität ColorJet DetailausschnittOberflächenqualität ColorJet Premium Detailausschnitt

Design: Thingiverse | LuluPaw

Druckbeispiel Colorjet (oben)

Die obere Abbildung (Eule, 4,5 cm) zeigt das Colorjet-Verfahren ohne Nachbearbeitung, die untere Abbildung das Colorjet Verfahren mit Oberflächenbearbeitung. Die Oberfläche ist durch das Pulver grundsätzlich ‚körnig‘, dieser Effekt kann jedoch durch Bearbeitung zumindest verbessert werden.

Oberflächenqualität Lasersintern Detailausschnitt
Oberflaecheneigenschaften Lasersintern Seite

Design: Thingiverse | LuluPaw

Druckbeispiel Lasersintern

Die Oberfläche im Lasersintern ist etwas feiner, jedoch sind auch hier noch die Schichten der 4,5 cm großen Eule eindeutig zu erkennen.

Extrudierter Kunststoff

Es gibt eine Vielzahl an Verfahren, die diese Technologie verwenden. Die bekanntesten sind FDM/FFF (Filament 3D-Druck), Spezial Extrusionsverfahren z. B. faserverstärkte Systeme (Carbon/Glasfasern), spritzenbasierte Systeme (Bio-3D-Drucker, Nahrungsmitteldrucker, Zementdrucker). Supportstrukturen können je nach Modell notwendig sein. Die Verfahren funktionieren nach dem folgenden Prinzip: ein thermoplastisches Material wird durch einen Extruder ausgebracht und härtet beim Abkühlen aus.

Oberflächenqualität

Die Qualität der Oberflächen ist eher niedrig bis mittelmäßig gut. Die äußeren Schichten (Z-Richtung) sind stark gerillt, dafür sind sie nahezu porenfrei und können durch eine Nacharbeitung auf ein hohes Qualitätsniveau gebracht werden. Die Unterseite ist an den Stellen ohne Support meist sehr glatt, auf der Oberseite ist die Oberflächenrauheit vergleichbar mit anderen 3D-Druck Technologien (siehe Daten unten).

An Stellen mit Supportmaterial sind die Oberflächen zum Teil stark beeinträchtigt. Einige Drucker nutzen jedoch wasserlösliche Supportmaterialien, welches eine deutliche bessere Qualität zulässt.

Oberflaechenrauheit Ra und Rz Werte FDM

Abbildung: Oberflächenrauheit FDM
Quelle: 3Faktur; EAH Jena

Finishing Optionen

Bei PLA und PA6/PA66 beschränkt sich das Finishing in aller Regel auf die Entfernung des Supportmaterials. ABS lässt sich recht gut nacharbeiten und kann geschliffen, gestrahlt oder trowalisiert werden.

FDM Oberflächenrauheit unbearbeitet oben X-Y

FDM | ABS (unbearbeitet); Ra 8,8 / Rz 88,4.

FDM Oberflächenrauheit glasperlgestrahlt und geschliffen

FDM | ABS (geschliffen); Ra 2,4 / Rz 28,3.

Abbildung: Mikroskopische Aufnahme der Oberflächen von FDM-Bauteilen
Quelle: 3Faktur; EAH Jena; Der Druck erfolgte auf einem Ultimaker 3 mit dem Material ABS (Ultimaker).

Anwendungen

Die häufigsten Anwendungen für Objekte aus extrudiertem Kunststoff sind Funktionsteile. Zur Herstellung von Formen oder zur Lackierung sind die Objekte nur mit großem Aufwand geeignet.

Schichtaufbau (schematisch)

Oberflaeche Filament 3D Druck Schematisch
  • X – Y Ebene: Die Oberfläche ist weniger geriffelt, allerdings sind die einzelnen Schichten wahrnehmbar (von der Laufrichtung des Druckkopfes).
  • Z Ebene: Die Schichten können unterschiedlich ausgeprägt sein, durch schleifen sind glatte Oberflächen in Z-Richtung möglich, insbesondere bei ABS (rote Line).
  • Besonderheit: Lücken zwischen Schichten sind Verfahrensbedingt möglich → Verringerung der Zugfestigkeit in Z-Richtung.

Druckbeispiel

Oberflächenqualität FDM Detailauschnitt
Oberflächenqualität FDM Seite

Design: Thingiverse | LuluPaw

Druckbeispiel

Beim FDM Verfahren entstehen deutlich sichtbare Rillen. Diese können je nach Material unterschiedlich nachbearbeitet werden. Das hier gezeigte PLA lässt sich begrenzt nachbearbeiten. Im Gegensatz dazu steht ABS, welches sich mechanisch und chemisch recht gut veredeln lässt.

Selektive Ausbringung von Photopolymertropfen

Die bekanntesten Verfahren sind hierbei Polyjet bzw. Mulijet Modeling. Dabei werden lichtaushärtende Polymere durch einen Druckkopf mit mehreren Düsen auf eine Werkplattform aufgetragen. Das noch flüssige Material wird durch UV-Licht sofort ausgehärtet. Bei diesen Verfahren sind Supportstrukturen immer notwendig.

Oberflächenqualität

Diese Verfahren bringen gute bis sehr gute Oberflächen hervor. Die ausgebrachten Materialtropfen zerlaufen zu sehr geringen Schichthöhen. Dadurch entstehen sehr homogene Oberflächen mit kaum wahrnehmbaren Schichtstärken (15 – 30 µm). Auch hier sind Supportstrukturen notwendig, die die Qualität der „betroffen“ Stellen deutlich beinträchtigen. Bei 3D-Druckern, die thermisch lösliche (3D-Systems) oder wasserlösliche (Stratasys, Keyence) Supportmaterialien verwenden, trifft diese Einschränkung nicht mehr zu. Durch die Verwendung von Materialtropfen sind die Ausbringungsschichten auch in der X-Y-Richtung sichtbar (Bewegungsrichtung der Druckköpfe).

Oberflaechenrauheit Ra und Rz Werte Polyjet

Abbildung: Oberflächenrauheit Polyjet
Quelle: 3Faktur; EAH Jena

Finishing Optionen

Das Entfernen der Supportstrukturen ist bei „normalen“ Polyjet-Druckern notwendig. Bei wasser- bzw. thermisch-löslichem Support ist eine Nachbearbeitung meist nicht notwendig. Als Techniken kommen insbesondere Strahlen und Schleifen zum Einsatz, dabei können sehr gute Oberflächenwerte erreicht werten (siehe Abbildung unten).

Polyjet Oberflächenrauheit unbearbeitet

Polyjet | VeroBlack (unbearbeitet); Ra 6 / Rz 29,1.

Polyjet Oberflächenrauheit Nachbearbeitung Korund-Strahlen

Polyjet | VeroBlack (Korund-gestrahlt); Ra 3,7 / Rz 24,2.

Polyjet Oberflächenrauheit geschliffen

Polyjet | VeroBlack (geschliffen); Ra 0,2 / Rz 1,7.

Abbildung: Mikroskopische Aufnahme der Oberflächen von Polyjet-Bauteilen
Quelle: 3Faktur; EAH Jena; Der Druck erfolgte auf einer Stratasys Objet 350 mit dem Material VeroBlack.

Anwendungen

Ähnlich dem selektiven Aushärten sind die Oberflächen weitgehend porenfrei und können durch wiederholtes Schleifen nochmals verbessert werden. Daher eignen sich die Objekte über die üblichen Rapid Prototyping Verwendungen hinaus auch für die Erstellung von Urformen.

Schichtaufbau (schematisch)

Oberflaeche Polyjet Schematisch
  • X – Y Ebene: Minimale Schichten entstehen durch die Laufwege der Druckköpfe.
  • Z Ebene: Minimal vorhandene spürbarer Schichten können durch abtragende Verfahren geglättet werden (rote Linie).
  • Besonderheit: Schichten sind auf allen Ebenen vorhanden (nicht dargestellt).

Falls Sie Fragen zu diesem Thema, den 3D-Druckverfahren oder Themenvorschläge haben kontaktieren Sie uns, wir helfen Ihnen gern.