Festigkeit

Nachweis der Bauteilfestigkeit und Untersuchung der Einflüsse auf die Bauteilfestigkeit, Maximilian Wimmer, 20.05.2025

Ziel und Hintergrund

In diesem Arbeitspaket werden die mechanischen Belastbarkeiten von 3D-Druck Teilen für eine Kaffeemaschine untersucht. Dabei werden sowohl die mechanischen Eigenschaften eines unveränderten Bauteils als auch dessen Verhalten unter Einflüssen wie Wasser, Temperatur oder Chemikalien betrachtet.

Das Ziel dieses Themas ist es, eine realitätsbezogene Analyse der mechanischen Beständigkeit 3D-gedruckter Bauteile zu erstellen. Die gewonnen Erkenntnis kann zur Materialspezifizierung oder Optimierung der Konstruktion führen.

Versuchsaufbau

Ausgangspunkt: Unbehandelte Proben

Zunächst werden Laborversuche wie der Zugversuch oder die Schlagbiegeprüfung an einem unbehandelten Bauteil getestet, um diese mit den Werten des Herstellers zu vergleichen. Ebenso dienen diese Proben als Referenz für spätere Tests mit Umwelteinflüssen.

Einflussfaktoren

Wasseraufnahme

Der erste untersuchte Umwelteinfluss ist die Wasseraufnahme. Hierbei wird experimentell bestimmt wie viel Wasser ein Bauteil über einen vorgeschriebenen Zeitraum aufsaugen kann und wie sie dies auf seine mechanischen Eigenschaften auswirkt. Es wird ebenso überprüft, ob es zu geometrischen/Optischen Veränderungen kommt.

Temperaturbeständigkeit

Die Temperaturbeständigkeit spielt in einer Kaffeemaschine eine Zentralle Rolle, hierbei werden folgende Punkte genauer betrachtet. Zunächst wird die Wärmeformbeständigkeit überprüft, über eine schrittweise Erhitzung des Materials bis zur Verformung. Außerdem wird getestet, ob eine wiederholtes erhitzen und abkühlen sich auf die Stabilität des Werkstoffes ausübt. Ebenso wird untersuchte wie sich die Festigkeit des Werkstoffes verhält bei bei definierten Temperaturen. Falls möglich werden die Temperaturbeständigkeit und Wasseraufnahme zusammen getestet, beispielsweise durch ein heißes Wasserbad, um eine realistische Bild des Bauteilverhaltens in der Kaffeemaschine zu kriegen.

Chemikalienresistenz

Ein weiterer relevanter Einflussfaktor sind Chemikalien, insbesondere Reinigungs- und Entkalkungschemikalien, die bei Kaffeemaschinen periodisch zum Einsatz kommen werden in Bezug auf die Bauteile untersucht. Hierfür wird das Bauteil über einen längeren Zeitraum in eine Lösung aus Wasser und Reinigungsmitteln gelegt. Anschließend wird es analysiert, um mögliche Materialschäden oder Beeinträchtigungen der Festigkeit festzustellen.

Projektfortschritt

In den ersten Wochen wurde intensive Recherche betrieben. Zuerst wurde das Material GreenTEC-Pro genauer untersucht. Hierfür standen einige Datenblätter zu Verfügung, die einen guten Einblick in die verschiedenen Eigenschaften des Materials geben.

Auswahl der Festigkeitsprüfverfahren

Auch die geplanten Festigkeitsprüfungen wurden genauer betrachtet, insbesondere in den Punkten Durchführung und Grund ihrer Auswahl.

• Zugversuch: zur Bestimmung von Zugfestigkeit und Elastizitätsmodul

• Schlagbiegeversuch: zur Bewertung von Schlagzähigkeit unter plötzlicher Belastung

Vermutungen in Bezug auf Einflüsse

Eine Recherche der Einflüsse hat vorerst folgende Resultate erbracht:

• Wasseraufnahme: Leichte Reduktion der Festigkeit und Zähigkeit

• Temperatur: Je höher die Temperatur desto stärker fallen Steifigkeit und Layerhaftung ab

• Chemikalien: Werkstoff ist nach Datenblatt besonders auf starke Oxidationsmittel wie Chlor anfällig, weshalb die in weiteren Experimenten genauer untersucht wird

Druck der ersten Prüfkörper

In dieser Phase wurden erste Prüfkörper für die anstehenden mechanischen Tests vorbereitet (gesliced). Verwendete Slicing-Parameter:

• 100 % Infill
• Geradliniges Füllmuster (linear)
• Layerhöhe: 0,1 mm
• Düse: 0,4 mm
• Drucker: Prusa MK4S

Der Fokus zu diesem Zeitpunkt liegt auf reine Materialeigenschaften, Geometrieanpassung folgen ggf. in späteren Schritten.

Die zu erwartenden Festigkeitswerte orientieren sich an den Herstellerangaben im Datenblatt von GreenTEC Pro. Aufgrund des verwendeten FDM-Druckverfahrens sowie typischer Abweichungen (z. B. durch Layeraufbau und inhomogenität) wird mit leicht reduzierten Werten gerechnet, besonders in Bezug auf Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit

Erste Laborversuche

Labor Einweisung und Drucken der Proben

Zu Beginn der ersten Laborwoche erfolgte eine Einweisung in die Laborvorschriften sowie in die Bedienung der Maschinen, mit denen der Festigkeitsnachweis durchgeführt wird. Ebenso wurden die Prüfproben mittels 3D-Druck gefertigt, jeweils sechs Stück für die Zug- und Schlagbiegeprüfung.

Zugprüfung

In der darauffolgenden Woche wurden die ersten Versuche durchgeführt. Ziel war es einerseits, die im Datenblatt angegebenen Materialeigenschaften zu verifizieren und andererseits eine Basis für weitere Versuche mit Einflüssen zu schaffen.

Die sechs Zugprüfungen verliefen ohne große Komplikationen, nur wurden Zugdehnung und Bruchspannung nicht tabellarisch ausgegeben, konnten jedoch in der Grafik bestimmt werden. Somit kam es zu folgenden Werten [Bild 1]:

• Durchschnittliche Zugdehnung: 3,25 %
• Durchschnittliche Bruchspannung: 32 MPa

Eine detaillierte Gegenüberstellung der Daten aus der Laborarbeit und dem Datenblatt findet sich in [Bild 2]

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  Bild 1: Zugversuchdaten der ersten Versuche, unbehandelt

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  Bild 2: Vergleich von Zugversuchdaten von Laborarbeit und Datenblatt

Es lässt sich feststellen, dass die meisten Messwerte im erwarteten Bereich liegen, jedoch tendenziell etwas schlechter ausfallen als die Angaben im Datenblatt. Mögliche Ursachen dafür könnten sein:

• Schwankende Qualität von 3D-Druckmaterialien und Prozess
• Optimistisch dargestellte Datenblattwerte des Herstellers
• Werte von Datenblatt wurden mit Spritzgussbauteilen geprüft

Schlagbiegeprüfung

Anschließend folgte die Schlagbiegeprüfung. Zunächst wurde ein 2N-Hammer verwendet da der kleinstmögliche Hammer, der das Bauteil noch durchschlägt, die besten Werte liefert. Dieser durchschlug nahezu das gesamte Bauteil, lediglich die letzte Schicht blieb intakt. Daher wurde ein stärkerer 5N-Hammer eingesetzt. Doch auch hier konnte die letzte Schicht nicht durchbrochen werden. Bei genauerer Analyse zeigte sich, dass es sich vermutlich um ein drucktechnisches Problem handelt. Eine alternative Druckmethode könnte dieses Verhalten möglicherweise verhindern. In realen Anwendungen stellt diese zusätzliche Schicht vermutlich keinen Nachteil dar, im Gegenteil, sie könnte stabilisierend wirken. Für standardisierte Festigkeitsprüfungen jedoch ist sie problematisch.

Bildmaterial zur Schlagbiegeprüfung mit Schanierbruch: siehe Bilder 3 und 4

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  Bild 3: Schanierbruch bei Schlagbiegeprobe V1

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  Bild 4: Schanierbruch bei Schlagbiegeprobe V1

Die erarbeiteten Daten [Bild 5] sowie eine detaillierte Gegenüberstellung der Daten aus der Laborarbeit und dem Datenblatt [Bild 6]:

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  Bild 5: Schlagbiegeversuchdaten V1 der ersten Versuche, unbehandelt

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  Bild 6: Vergleich von Schlagbiegeversuchdaten von Laborarbeit und Datenblatt

Hier ist ein bemerkenswerter Unterschied zwischen den beiden Messergebnissen zu erkennen, da es statt des erwarteten vollständigen Bruchs zu einem Scharnierbruch kam, vermutlich verursacht durch den Schichtaufbau beim 3D-Druck. Weiteres Vorgehen:

Die Laboraufsicht klärt derzeit mit dem zuständigen Professor, ob die ermittelten Werte bei einem Scharnierbruch überhaupt aussagekräftig sind. Falls nicht, ist eine Wiederholung der Versuche mit veränderter Probenstruktur vorgesehen.

Angepasste Schlagbiegeprüfung

Um die Schlagbiegeprüfung zuverlässiger auf das Bruchverhalten des verwendeten Materials abzustimmen, wurde das Prüfkörperdesign im Slicer gezielt angepasst. Ziel war es, einen vollständigen und sauberen Bruch an der Kerbe zu erzielen, statt eines untypischen Scharnierbruchs durch druckbedingte Verstärkungen in den oberen Schichten.

Zu diesem Zweck wurden unter anderem folgende Änderungen vorgenommen:

• Reduktion der massiven Schicht an Ober-/Unterseite → Schichtdicke erwies sich als entscheidender Faktor für das Auftreten eines Scharnierbruchs
• Bautteil um 180° gedreht → mit neuer Ausrichtung kann eine dickere Grundschicht beibehalten werden, ohne den Bruchverlauf negativ zu beeinflussen
• Reduktion des Füllgrades auf 70 % → Vermeidung übermäßiger Materialverdichtung und förderte ein reproduzierbares Bruchverhalten

Bild 7: Schlagbiegeversuch V2 gesliced

die genauen Unterschiede finden sich hier [Tabelle 1]:

Parameter	Vorher	Nachher
Ausrichtung der Probe	Kerbe nach oben	Kerbe nach unten
Top Layer Schichten	8 Schichten	1 Schicht
Top Layer Schalenstärke	0,7 mm	0,2 mm
Bottom Layer Schichten	7 Schichten	2 Schichten
Bottom Layer Schalenstärke	0,4 mm	0,5 mm
Perimeter	0,3 mm	0,1 mm
Infill	100%	70%

Erweiterung der Zugprüfung auf Z-Richtungsbelastung

In realen Anwendungen wirken mechanische Kräfte nie nur aus einer einzigen Richtung. Es treten meist Belastungen verteilt und gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen auf, wobei sie oft stark in bestimmte und vergleichsweise eher schwach in andere resultieren. Die bislang durchgeführten Zugversuche beschränkten sich auf flach gedruckte Proben, bei denen die Last hauptsächlich in der X- und Y-Richtung aufgenommen wird.

Im weiteren Projektverlauf wurde daher beschlossen, zusätzlich auch hochkant (in Z-Richtung) gedruckte Zugproben [Bild 8] herzustellen und zu prüfen. Diese sollen gezielt die Schichtanhaftung sowie die mechanische Festigkeit in Z-Richtung untersuchen, da diese Richtung im 3D-Druckverfahren häufig eine Schwachstelle darstellt. Durch die Kombination beider Prüfrichtungen (XY und Z) entsteht ein ganzheitlicheres Bild der Materialeigenschaften unter realitätsnahen Belastungsszenarien.