Projektarbeit Simon Besl, Matthias Strohmeier, Maximilian Wimmer

Möglichkeiten der Oberflächengestaltung und Maßhaltigkeit im FDM 3D-Druck

Aufgabenanalyse

Lasergravieren von Kunststofffolien Folien zur Druckplattenbeschichtung (Matthias Strohmeier)

In diesem globalen Arbeitspaket wird die Bearbeitung von (PET-) Folien mittels Lasergravur sowie die anschließende Beschichtung von FDM-3D-Druckplatten mit diesen untersucht. Es werden verschiedene (PET-) Ausgangsfolien ausgewählt, die auf Druckplatten geklebt werden können. Diese dienen als Ausgangsmaterial.

Zunächst werden verschiedene Laserbearbeitungsverfahren in Verbindung mit PET- Folien recherchiert. Bei der Laserbearbeitung von Kunststofffolien sind häufig Parameter wie die Wellenlänge des Laserlichts, die Laserleistung oder die Bearbeitungsgeschwindigkeit entscheidend für ein erfolgreiches Beschriftungsergebnis. Diese und möglicherweise weitere Parameter werden recherchiert, sortiert und anschließend getestet. Auch die Form und Komplexität der Gravur kann hierbei eine Rolle spielen und wird untersucht.
Zusätzlich stellt sich die Frage, wie lange eine solche Textur – beispielsweise eine Nummer oder ein Logo – über eine PET-Folie auf Bauteile aufgedruckt werden kann, bevor die Folie verschleißt. Das gesamte Vorgehen wird im ersten Schritt sorgfältig geplant und vorbereitet, da der Zugang zu einem Laserbeschrifter nicht jederzeit garantiert werden kann. Somit liegt der erste Fokus klar auf der Recherche, Planung und Vorbereitung der Versuche. Als zusätzliche Untersuchung kann das „GreenTec Pro“-Filament der Marke Extrudr auf direkte Lasergravur und -bearbeitung hin untersucht werden. Hierbei werden gedruckte Bauteile mit verschiedenen Laserparametern beschossen und anschließend ausgewertet.

Vergleich der Oberflächenqualität bei unterschiedlichen FDM-3D-Druckern (Simon Besl)

Im Rahmen dieses Arbeitspakets wird der Einfluss unterschiedlicher FDM-3D-Drucker auf die resultierende Oberflächenqualität von Druckteilen systematisch untersucht. Ziel ist es, Druckergebnisse hinsichtlich ihrer optischen und haptischen Qualität sowie geometrischen Maßhaltigkeit vergleichend zu analysieren.

Dazu wird zunächst ein standardisiertes Testbauteil konstruiert, das gezielt typische Herausforderungen im FDM-Druck integriert – darunter Überhänge über 45°, filigrane Details sowie Flächen zur Bewertung von Textur und Layer-Bildung. Dieses Testobjekt dient als Referenzmodell für alle Druckversuche.

Im Anschluss erfolgt der Druck des Testobjekts auf mehreren 3D-Druckern unterschiedlicher Hersteller unter möglichst einheitlichen Druckparametern. Zusätzlich wird der Einfluss verschiedener Slicer-Programme (z. B. Cura, PrusaSlicer, Orca) analysiert, indem identische Modelle mit jeweils softwaretypischen Standardprofilen gesliced und verglichen werden.

Die gedruckten Bauteile werden in zwei Schritten ausgewertet:

1. Subjektive Analyse: In einem Blindtest beurteilen sowohl Laien als auch Projektteilnehmende die Oberflächenqualität der Druckteile hinsichtlich Gleichmäßigkeit, Schichtlinien und Haptik.
2. Objektive Analyse: Mittels Messmitteln (z. B. Bügelmessschraube) werden Maßhaltigkeit, Detailtreue sowie eventuelle Verzüge dokumentiert und gegenübergestellt.

Als zusätzlicher Untersuchungsaspekt wird bei Bedarf der Einfluss unterschiedlicher Düsendicken auf die Oberflächenqualität und Druckgeschwindigkeit geprüft. Hierzu wird das Testobjekt mit unterschiedlichen Düsendicken gedruckt um zu prüfen, ob eine Steigerung der Druckgeschwindigkeit ohne Einbußen bei der Oberflächengüte möglich ist.

Nachweis der Bauteilfestigkeit und Untersuchung der Einflüsse (Maximilian Wimmer)

In diesem Arbeitspaket wird die mechanische Belastbarkeit von 3D-gedruckten Bauteilen einer Kaffeemaschine untersucht. Dabei werden sowohl die Eigenschaften unbehandelter Teile als auch ihr Verhalten unter Einflüssen wie Wasser, Temperatur und Chemikalien betrachtet.

Zunächst erfolgen Laborversuche wie Zug- und Schlagbiegeprüfungen, um die Ergebnisse mit den Herstellerangaben zu vergleichen und Referenzwerte für spätere Tests zu gewinnen. Anschließend wird die Wasseraufnahme experimentell bestimmt, inklusive der Auswirkungen auf mechanische Eigenschaften und mögliche optische oder geometrische Veränderungen.

Die Temperaturbeständigkeit wird über Wärmeformbeständigkeitsprüfungen sowie durch wiederholtes Erhitzen und Abkühlen getestet. Kombinationstests, etwa ein heißes Wasserbad, sollen realistische Bedingungen simulieren.

Zudem wird die Beständigkeit gegenüber Chemikalien wie Reinigungs- und Entkalkungsmitteln untersucht, indem Bauteile über längere Zeit in entsprechenden Lösungen gelagert und anschließend analysiert werden.

Zielvereinbarung

Die Zielsetzung des Arbeitspakets "Lasergravieren von (PET-) Folien zur Druckplattenbeschichtung" ist es, eine klare Dokumentation über alle relevanten Möglichkeiten und Parameter der Lasergravur von mit PET-Folien beschichteten Druckplatten sowie der direkten Laserbearbeitung von 3D-gedruckten Bauteilen zu erstellen. Die Ergebnisse sollen klar nachvollziehbar und reproduzierbar sein.

Zielsetzung des Arbeitspakets „Nachweis der Bauteilfestigkeit und Untersuchung der Einflüsse auf die Bauteilfestigkeit“ ist die genaue Analyse der Festigkeitseigenschaften des Kunststoffs GreenTec Pro im Vergleich zu den vom Hersteller angegebenen Werten. Ebenso sollen die Veränderungen der Materialeigenschaften unter typischen Einsatzbedingungen einer Kaffeemaschine, Einwirkung von Wasser, Temperatur und Chemikalien, untersucht werden.

Die Zielsetzung des Arbeitspakets „Vergleich der Oberflächenqualität bei unterschiedlichen FDM-3D-Druckern“ liegt in der systematischen Untersuchung des Einflusses verschiedener FDM-Drucker, Slicer-Software und Düsen auf die Maßhaltigkeit, Oberflächenqualität und Detailgenauigkeit von 3D-gedruckten Bauteilen. Dazu wird ein standardisiertes Testmodell entwickelt. Die Ergebnisse werden sowohl subjektiv (z. B. durch Blindtests) als auch objektiv (z. B. Maßanalyse, Verzugsmessung) bewertet. Ziel ist es, verlässliche Aussagen über den Zusammenhang zwischen Drucktechnik und Bauteilqualität zu treffen und diese in die Gesamtbewertung des Projekts einzubinden.

Besprechungsprotokolle

FDM-Druck Startgespräch 27.03.2025
FDM-Druck Rücksprache 04.04.2025
FDM-Druck Rücksprache 25.04.2025
FDM-Druck Rücksprache 09.05.2025
FDM-Druck Rücksprache 23.05.2025
FDM-Druck Rücksprache 06.06.2025
FDM-Druck Rücksprache 20.06.2025
FDM-Druck Rücksprache 04.07.2025
FDM-Druck Abschlusspräsentation 25.07.2025

Arbeitspakete

Status

10 - Erfasst
30 - in Bearbeitung
50 - Lösung definiert
70 - in Umsetzung
90 - Umsetzung abgeschlossen
99 - Abbruch per Beschluss (Dokumentation dazu erforderlich)
100 - Maßnahme bestätigt

ToDo-Liste Oberflächengestaltung und Maßhaltigkeit im FDM 3D-Druck

Arbeitspaket	ToDo	Wer	Priorität	Status	WV
1	Einfluss unterschiedlicher FDM-Drucker auf die Druckqualität	Simon Besl		30	20.06.2025
2	Einfluss unterschiedlicher Slicer-Programme auf die Druckqualität	Simon Besl		50	06.06.2025
3	Einfluss unterschiedlicher Düsendurchmesser auf die Druckqualität	Simon Besl		70	06.06.2025
4	Nachweis der Bauteilfestigkeit und Untersuchung der Einflüsse auf die Bauteilfestigkeit	Maximilian Wimmer		30	09.05.2025
4.1	Einfluss von Wasser auf Bauteilfestigkeit	Maximilian Wimmer		30	23.05.2025
4.2	Einfluss von Temperatur auf Bauteilfestigkeit	Maximilian Wimmer		10
4.3	Einfluss von Chemikalien auf Bauteilfestigkeit	Maximilian Wimmer		30	23.05.2025
5	Laserbeschriftung (PET-) Folien und anschließende Druckplattenbeschichtung (Matthias Strohmeier)	Matthias Strohmeier		30
5.1	Laserbeschriftung von Folien bzw. Druckplatten (Matthias Strohmeier)			70	23.05.2025
5.2	Drucken der Bauteile auf zuvor gravierte Druckplatte ("Prägedruck") (Matthias Strohmeier)			30	06.05.2025