Einfluss Material

Eingangsinformationen

• optimierte Druckparameter
• verwendete Filamentarten
• .STL Datei für Testdrucke

Ausgangsinformationen

• Vergleich der Filamentarten bezüglich Maßhaltigkeit und Oberflächenbeschaffenheit
• Herangehensweise zur Gegenüberstellung der Filamente

Die Wahl des zur Produktion zu nutzenden Werkstoffes hängt sowohl in der herkömmlichen Fertigung als auch in der additiven von den vom Endprodukt geforderten Eigenschaften ab. Nachfolgend wird die Art des 3D-Druck-Filaments als Einflussfaktor auf die Maßhaltigkeit von gefertigten Teilen untersucht. Damit diese Untersuchung durchgeführt werden kann, muss zunächst das Arbeitspaket Optimierung Druckparameter abgeschlossen worden sein.

Um einen repräsentativen Vergleich der Filamente zu ermöglichen, sind Variablen, abgesehen von dem zu druckenden Material, zu vermeiden. Deshalb sollen alle nötigen Testdrucke für diese Untersuchung unter Verwendung der hergeleiteten optimierten Druckparameter durchgeführt werden. Zudem ist eine Schwankung im Ergebnis durch die Verwendung unterschiedlicher Drucker innerhalb der Testreihe zu eliminieren. Sämtliche Drucke werden auf dem gleichen Gerät durchgeführt. Mit jeder Filamentart werden drei Testdrucke des bereits im Kapitel Optimierung Druckparameter verwendeten Testmodels gefertigt. So ist es möglich, eine Standardabweichung sowie einen Mittelwert der Maßhaltigkeit jedes Materials zu bestimmen. Zudem entsteht daraus die Möglichkeit, die Reproduzierbarkeit der Oberflächenbeschaffenheit zu überprüfen. Nach der Fertigung sämtlicher Testdrucke werden diese vermessen und eine qualitative Beurteilung der Oberfläche wird durchgeführt. Anhand dieser Daten und Ergebnisse wird ein Vergleich zwischen den Filamenttypen aufgestellt. Des Weiteren wird die Schwindung der unterschiedlichen Materialien gesondert betrachtet und untersucht, wie diese kompensiert werden kann.

Fertigen von Testkörpern

Im ersten Schritt werden für jedes Filament (CR-Wood, Greentech Pro, Sunlu PLA und PETG) Testkörper mit den zuvor optimierten Druckparametern aus dem jeweiligen Arbeitspaket gedruckt. Diese Testkörper beinhalten verschiedene geometrische Formen, darunter Bohrungen und enge Toleranzbereiche, die für eine präzise Messung und Beurteilung der Maßhaltigkeit des Materials wichtig sind. Der Testkörper wird dreimal mit demselben Material und denselben Druckeinstellungen gedruckt.

Ziel:

• Bestimmung der Abweichungen durch den Druckprozess: Dies hilft dabei, festzustellen, wie wiederholbar der Druckprozess bei wiederholten Drucken mit demselben Material und denselben Parametern abläuft. Es wird geprüft, ob die Maßhaltigkeit des Drucks im wiederholten Druckprozess stabil bleibt oder ob es zu nennenswerten Abweichungen kommt. Aus den Messwerten kann eine gemittelte Abweichung errechnet werden.
• Erwartung: Es wird keine signifikante Abweichung erwartet. Etwaige minimaler Abweichungen könnten durch den Druckprozess oder durch kleinste Schwankungen in der Materialzufuhr verursacht werden.

Reproduzierbarkeit der Messwerte (Streuung und Vergleichbarkeit)

Im nächsten Schritt werden die Maße des Testkörpers, der dreimal gedruckt wurde, mit den Sollmaßen der originalen STL-Datei verglichen. Für diesen Schritt wird eine präzise Messung entlang der X-, Y- und Z-Achse vorgenommen. Dies erfolgt mit einem geeigneten Messgerät wie einer digitalen Schieblehre, um millimetergenaue Werte zu erfassen. Es wird überprüft, ob die gedruckten Teile die vorgesehenen Maße einhalten oder ob es zu einer Schwindung kommt.

GreenTEC-PRO

Die Standardabweichungen der Messungen sind durchgehend gering, mit Werten im Bereich von 0,006 mm (B1) bis maximal 0,040 mm (H4). Dies deutet auf eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Messungen hin. Die Schwankungen liegen im Bereich der Messtoleranzen und erlauben einen direkten Vergleich der Drucke untereinander. Es gibt keine Hinweise auf systematische Abweichungen, die die Vergleichbarkeit beeinträchtigen könnten.

Extrudr-PETG

Die Standardabweichungen für Extrudr-PETG sind insgesamt ebenfalls gering, mit einem ähnlichen Muster wie bei GreenTEC-PRO. Die größten Schwankungen treten bei L5 (0,090 mm) und H4 (0,055 mm) auf. Trotzdem sind die Werte konsistent genug, um die Drucke untereinander vergleichen zu können. PETG zeigt eine gute Stabilität, insbesondere in der XY-Ebene.

Sunlu-PLA

Die Standardabweichungen bei Sunlu-PLA sind etwas größer als bei GreenTEC-PRO und Extrudr-PETG, vor allem bei Höhenmaßen wie H2 (0,042 mm). Dies deutet auf eine etwas geringere Reproduzierbarkeit hin, insbesondere in der Z-Achse. Die Konsistenz ist dennoch ausreichend, um die Drucke miteinander zu vergleichen, wobei größere Schwankungen in der Z-Achse zu berücksichtigen sind.

Creality Wood

Bei Creality Wood sind die Standardabweichungen ebenfalls gering, mit Ausnahme einzelner Maße wie L5 (0,100 mm) und H8 (0,031 mm). Diese höheren Werte könnten durch die ungleichmäßige Materialzusammensetzung oder Schwankungen im Druckprozess bedingt sein. Insgesamt bleibt die Reproduzierbarkeit gut, insbesondere in der XY-Ebene, und die Drucke sind vergleichbar.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle Filamente eine ausreichende Reproduzierbarkeit der Messwerte bieten. GreenTEC-PRO und Extrudr-PETG zeigen die besten Ergebnisse, während Sunlu-PLA und Creality Wood leichte Schwächen, insbesondere in der Z-Achse, aufweisen.

Berechnung der Schwindung

Messung zur anschließenden Berechnung der Schwindung

Mit den gemessenen Werten können die Schwindungsraten des Materials berechnet werden. Diese Berechnung gibt Aufschluss darüber, wie stark das Material während des Druckprozesses seine Form verändert. Die Schwindung kann als der Unterschied zwischen den geplanten und den gemessenen Maßen des Testkörpers betrachtet werden, ausgedrückt als Prozentsatz der Gesamtgröße des Objekts.

Formel für Schwindung: Schwindung (%)=((Sollmaß−Istmaß)/Sollmaß​)×100

Die Schwindung wird dann genutzt, um die Skalierung des Modells im Slicer zu korrigieren. Je nach Filamenttyp und Druckumgebung kann die Schwindung unterschiedlich ausfallen. Für den Orcaslicer lässt sich die Schwindung im Profil des jeweiligen Filaments festlegen. Hier bedeutet 100 % keine Schwindung. Wenn nun eine Schwindung von 2 % errechnet wird, muss der Schwindungswert im Slicer auf 98 % angepasst werden.

Neuer Druck mit korrigierten Einstellungen

Nachdem die Schwindungswerte für jedes Material berechnet und im Slicer eingestellt wurden, erfolgt ein zweiter Druck des Testkörpers. Dieser wird mit den neu kalkulierten Skalierungswerten gedruckt, um zu überprüfen, ob die Abweichungen nun minimiert wurden. Sollte der Druckkörper mit den neuen Einstellungen gut mit den Sollmaßen übereinstimmen, können die Einstellungen als gültig betrachtet werden

Analyse der Ergebnisse und Vergleich der Materialien

Nachdem die Testkörper für alle vier Filamente (CR-Wood, Greentech Pro, Sunlu PLA und PETG) mit den angepassten Einstellungen gedruckt wurden, werden die Ergebnisse der Messungen miteinander verglichen. Die Abweichungen und das Verhalten der Materialien hinsichtlich Schwindung werden bewertet. Mögliche Unterschiede zwischen den Filamenten in Bezug auf ihre Maßhaltigkeit und Stabilität werden bewertet. Falls ein Material größere Abweichungen aufweist, können gezielte Anpassungen im Slicer vorgenommen werden, um dieses Material besser auf die gewünschten Dimensionen zu bringen.

GreenTEC-PRO

Die Abweichungen für GreenTEC-PRO liegen bei den meisten Dimensionen unter ±1 %, was auf eine gute Maßhaltigkeit hinweist. Auffälligkeiten gibt es bei D2 und L3, die mit -1,38 % bzw. -1,67 % die größten negativen Abweichungen zeigen. Diese könnten auf spezifische Materialschwindungen oder die Verarbeitungstemperatur zurückzuführen sein. Unauffällige Maße, wie D1 (-0,41 %) und B1 (0,54 %), zeigen die Zuverlässigkeit des Materials.

Extrudr-PETG

Extrudr-PETG zeigt größere Abweichungen als GreenTEC-PRO, insbesondere bei L3 (-2,46 %) und H1 (-1,83 %). Diese Werte könnten auf eine stärkere Schwindung und Anisotropie des Materials hindeuten. Positiv ist, dass die meisten Maße wie D1 (-1,17 %) und B1 (-0,42 %) im akzeptablen Bereich liegen und auf eine zufriedenstellende Maßhaltigkeit hinweisen.

Sunlu-PLA

Bei Sunlu-PLA fallen die Abweichungen bei den Höhenmaßen besonders ins Gewicht: H8 weist eine extrem hohe Abweichung von +24,54 % auf, was auf ein schwerwiegendes Problem in der Z-Achse hindeutet. Die übrigen Maße sind moderat (z. B. D1: -0,43 %, B1: +2,17 %). Dies deutet darauf hin, dass PLA gut in der XY-Ebene arbeitet, aber in der Z-Achse durch Schrumpfung oder Druckprozessprobleme beeinträchtigt wird.

Creality Wood

Creality Wood zeigt ebenfalls moderate Abweichungen, mit einigen größeren bei H1 (-3,67 %) und L3 (-2,83 %). Auffälligkeiten sind hier bei der Z-Achse zu beobachten, während Maße wie D1 (-1,17 %) und B1 (+1,62 %) zufriedenstellend bleiben. Dies deutet auf Probleme bei der Reproduzierbarkeit in der Höhe hin, was möglicherweise durch die inhomogene Zusammensetzung des Filaments beeinflusst wird.

Interpretation und Vergleich der Ergebnisse

GreenTEC-PRO: Zeigt die geringsten Abweichungen und die höchste Konsistenz, was auf ein sehr zuverlässiges Material hinweist. Es ist ideal für Anwendungen, bei denen Präzision entscheidend ist.

Extrudr-PETG: Bietet solide Ergebnisse, weist aber größere Schwankungen in der Maßhaltigkeit auf, insbesondere in der Z-Achse. Es eignet sich gut für robuste Teile mit weniger strengen Toleranzen.

Sunlu-PLA: Liefert akzeptable Ergebnisse in der XY-Ebene, hat aber erhebliche Probleme in der Z-Achse. Für Anwendungen mit weniger hohen Anforderungen an die Z-Achsen-Präzision ist es geeignet.

Creality Wood: Zeigt moderate Abweichungen mit auffälligen Schwächen in der Z-Achse. Aufgrund der inhomogenen Filamentzusammensetzung eignet es sich besser für ästhetische Anwendungen als für hochpräzise Drucke.

Ermittelte Einstellwerte für den Slicer

Filament	Startwert	XY-Schrumpfung	Z-Schrumpfung
Greentec Pro	99,4%	98,94%	99,01%
Extrudr PETG	100%	98,84%	98,16%
Sunlu PLA	100%	99,15%	104,57%
Creality CR-Wood	100%	99,46%	101,56%

Download der nötigen Dateien

Unter diesem Abschnitt können sämtliche zur Bestimmung der Schwindung nötigen Dateien heruntergeladen werden. Diese umfassen das Testmodel, eine Zeichenableitung dessen sowie eine Berechnungstabelle, mittels welcher der richtige Schwindungswert errechnet werden kann. Eine Anleitung zur Vorgehensweise und Anwendung des Berechnungstools, ist in der Excel-Tabelle selbst zu finden. Lade die .ZIP herunter.