Drucken der Bauteile auf zuvor gravierte Druckplatte ("Prägedruck") (Matthias Strohmeier)
Lasergravierte Druckplatten dienen als Grundlage für einen anschließenden Prägedruck, bei dem die Gravurtiefe und -größe maßgeblich das Druckergebnis beeinflussen. Im Rahmen des Verfahrens werden verschiedene Gravurparameter getestet und die daraus resultierenden Druckergebnisse systematisch dokumentiert.
Druckversuche auf die zuvor laserbearbeiteten Druckplatten
Verwendet wurde für den Druck ein 3D Drucker der Marke "BambuLab", genauer ein "X1 Carbon". Als Kunststoff wurde silberfarbenes PLA eingesetzt. Hierbei wurde mit folgenden Parametern gedruckt:
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Material | PLA |
| Düsendurchmesser | 0,4 mm |
| Druckbett Temperatur | 55 °C |
| Düsentemperatur | 220 °C |
| Muster untere Fläche | Monotonisch |
| Druckgeschwindigkeit 1. Schicht | 50 mm/s |
| Geschwindigkeit der Füllung 1. Schicht | 105 mm/s |
Niedrige Laserleistungen
Der 3D-Druck auf gravierten Druckplatten wurde in einem Versuch erfolgreich erprobt. Ziel des Versuchs war es, die Eignung von gravierten Oberflächen der PEI-beschichteten Druckplatten – für den FDM 3D Druck zu untersuchen.
Verwendet wurde für den Druck ein 3D Drucker der Marke "BambuLab", genauer ein "X1 Carbon". Als Kunststoff wurde silberfarbenes PLA eingesetzt.
Die Ergebnisse zeigten, dass insbesondere großflächige Gravuren sehr präzise und klar auf das Druckobjekt übertragen wurden. Dies deutet auf eine hohe Detailtreue der Gravurübertragung bei größeren Strukturen hin. Im Gegensatz dazu nahm die Druckqualität mit abnehmender Schriftgröße eher ab, wobei sich selbst kleine Details erfolgreich abprägten.
Ein weiterer Fokus lag auf der Wechselwirkung zwischen Lasergravur und der PEI-Beschichtung der Druckplatte. Bei Laserleistungen von bis zu ca. 10 % (120W) wurde die PEI-Beschichtung beim Laservorgang zwar sichtbar verändert, jedoch nur in einem geringen Maß abgetragen. Dies hatte den positiven Effekt, dass die Haftung während des Drucks ausreichend war, die fertigen Druckteile sich anschließend jedoch problemlos von der Druckplatte lösen ließen. Die Kombination aus präziser Gravur, guter Haftung während des Drucks sowie einfacher Entnahme der Bauteile nach Fertigstellung erlaubt eine hohe Reproduzierbarkeit und Produktivität. Die Versuchsreihe demonstriert somit das Potenzial gravierter PEI-Druckplatten für den professionellen Einsatz im 3D-Druck.
Die dokumentierten Ergebnisse sind in den untenstehenden Abbildungen dargestellt.
| Abbildung 1 Druckergebnis mit 6% (72W) Laserleistung | Abbildung 2 Druckergebnis mit 7% (84W) Laserleistung | Abbildung 3 Druckergebnis mit 8% (92W) Laserleistung |
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Hohe Laserleistungen
In weiteren Versuchsreihen wurden Druckplatten untersucht, die mit hoher Laserleistung graviert wurden. Dabei kam es zu einem tiefen Materialabtrag bis in die Klebeschicht der Kunststoffbeschichtung (PEI). Die so bearbeiteten Platten wurden anschließend mit identischen 3D-Druckparametern wie in vorangegangenen Versuchen getestet.
Es zeigte sich, dass die gravierte Oberfläche unter diesen Bedingungen eine klebrige Textur aufwies. Dies führte zu einer deutlich erhöhten Haftung der Druckteile, wodurch sich diese nur mit großem Kraftaufwand von der Platte lösen ließen. Zudem blieben Rückstände der Plattenbeschichtung auf der Unterseite der Druckteile haften, was auf eine Schädigung der funktionalen Oberflächenbeschichtung hinweist. Auch die auf den Druckteilen sichtbare Prägung der Gravur wies eine klebrige Oberfläche auf, was eine weitere Einschränkung in der praktischen Nutzung bedeutet.
Alle beschriebenen Ergebnisse sind in den folgenden Abbildungen dokumentiert.
| Abbildung 1 Druckergebnis mit 15% (195W) Laserleistung | Abbildung 2 Druckergebnis mit 18% (≈230W) Laserleistung | Abbildung 3 Druckergebnis mit 20% (≈300W) Laserleistung |
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Prägetests mit Schriftzügen auf gravierten Druckplatten
Im Anschluss an die Versuche mit gravierten Logos wurden auch Schriftzüge mit variierenden Gravurtiefen getestet. Die Gravuren erfolgten dabei auf ähnlichen Laserleistungsniveaus wie zuvor. Besonders Gravuren mit Laserleistungen von 6 %, 7 % und 8 % hatten sich in den vorhergehenden Tests als besonders geeignet erwiesen. Für den Test wurde ein Schriftzug mit Groß- und Kleinbuchstaben sowie einer Strichstärke von etwa 1,9mm verwendet. Der Schriftzug der Buchstaben "Laserleistung" allein betrug rund 69mm × 11,2mm. Auch hier bestätigte sich, dass Gravuren im Bereich von 6 % bis 8 % Laserleistung die besten Ergebnisse lieferten. Die Schrift wurde in diesen Fällen klar und fehlerfrei in die erste Druckschicht geprägt. Bei höheren Gravurleistungen ab etwa 12 % kam es hingegen erneut zu unerwünschten Effekten. Die Oberflächen der Gravuren begannen zu kleben, was sowohl zu einer erschwerten Entnahme der Druckteile führte als auch zu klebrigen Rückständen auf den Bauteilen selbst – ein Verhalten, das bereits bei den vorherigen Versuchen mit tieferen Gravuren beobachtet wurde. Die unten stehenden Abbildungen zeigen die oben Erwähnten Ergebnisse.
| Abbildung 1 Druckergebnis Schriftzüge 5-8% (60W - 92W) Laserleistung | Abbildung 2 Druckergebnis Schriftzug 10-14% (120W - ≈180W) Laserleistung |
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Fazit der Ergebnisse
Die durchgeführten Versuche zeigen deutlich, dass lasergravierte PEI-beschichtete Druckplatten ein hohes Potenzial für den Einsatz im FDM-3D-Druck aufweisen – insbesondere für Anwendungen, bei denen eine präzise Übertragung von Gravurmustern auf die erste Druckschicht erwünscht ist. Insbesondere Gravuren im niedrigeren Leistungsbereich (ca. 70W bis 120W Laserleistung) erwiesen sich als optimal. Sie ermöglichten eine klare und detailreiche Übertragung sowohl großflächiger Strukturen als auch kleiner Schriftzüge bei gleichzeitig guter Haftung während des Druckprozesses und problemloser Entnahme der Bauteile im Anschluss. Die Gravurtiefe war in diesen Fällen ausreichend, um eine saubere Prägung zu erzielen, ohne dabei die Funktionalität der PEI-Oberfläche wesentlich zu beeinträchtigen. Hierbei sind die Prägungen um 120W noch etwas deutlicher als bei den unteren Leistungen zwischen 70W und 90W.
Demgegenüber zeigten Gravuren mit hoher Laserleistung (>>120W) deutliche Nachteile. Hier kam es zu einer übermäßigen Schädigung der PEI-Beschichtung, was zu überhöhter Haftung, Rückständen auf den Bauteilen sowie einer klebrigen und verformten Oberflächenstruktur führte. Diese Effekte beeinträchtigen sowohl die Wiederverwendbarkeit der Druckplatte als auch die Oberflächenqualität der gedruckten Objekte erheblich.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass eine fein abgestimmte Gravur mit moderater Laserleistung die beste Balance zwischen Detailtreue, Haftung und Druckqualität bietet. Die systematische Dokumentation der Gravurparameter und Druckergebnisse ermöglicht eine gezielte Optimierung des Verfahrens für industrielle oder prototypische Anwendungen im Bereich des 3D-Drucks mit strukturierten Druckbett-Oberflächen.
Erweiterung: Drucktest auf weißem Kunststoff (PLA)
In einer ergänzenden Versuchsreihe wird das bereits getestete HM-Logo mit den bewährten niedrigen Laserleistungen von 6 bis 8 Prozent erneut auf PEI-beschichtete Druckplatten geprägt, diesmal mit weißem PLA als Druckmaterial. Die Druckparameter bleiben gegenüber den vorangegangenen Versuchen unverändert. Aufgrund der geringeren Lichtreflexion von weißem PLA im Vergleich zu silberfarbenem Material wird zunächst ein schwächerer optischer Effekt der Prägung erwartet.
Tatsächlich zeigt sich jedoch weiterhin eine gut sichtbare, gleichmäßige Prägung mit rauer, nicht klebriger Oberfläche. Ein nun noch auffälligerer "Fehler" im Vergleich zum zuvor verwendeten silberfarbenen PLA besteht in der Übertragung kleiner schwarzer Partikel aus der PEI-Beschichtung in die Druckobjekte. Diese Rückstände stammen aus dem Gravurprozess, sind fest im Druckteil eingebettet und verstärken die Sichtbarkeit des Logos durch den entstehenden Farbkontrast. Die Menge dieser Partikel nimmt mit aufeinanderfolgenden Drucken sichtbar ab, was auf verbliebenen Laserschmutz auf der Plattenoberfläche hinweist. Eine Beeinträchtigung der Funktionalität der Druckplatte ist nicht zu erwarten, da der Partikelabrieb minimal ist und sich auf schwer entfernbaren Staub aus dem Laservorgang beschränkt. Die folgenden Abbildungen zeigen die Druckergebnisse.
| Abbildung 1 Druckergebnis mit 6% (72W) Laserleistung | Abbildung 2 Druckergebnis mit 7% (84W) Laserleistung | Abbildung 3 Druckergebnis mit 8% (92W) Laserleistung |
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Ausblick
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass sich PEI-beschichtete Druckplatten sehr gut mit CO2-Lasern gravieren lassen und im Anschluss zuverlässig für den Prägedruck mit dem FDM-Verfahren eingesetzt werden können. Die Drucke überzeugen durch klar sichtbare und teils schimmernde Prägungen, insbesondere bei reflektierenden Materialien wie silberfarbenem PLA.
Für die weitere Untersuchung soll die Reinigung der gravierten Druckplatten intensiviert werden. Der Einsatz von Isopropanol könnte helfen, verbliebene Rückstände des Laservorgangs – insbesondere der feine schwarze Staub aus der PEI-Beschichtung – zu entfernen. Dadurch lassen sich möglicherweise Druckobjekte erzeugen, die frei von eingebetteten Partikeln sind, ohne die Funktionalität der Gravur zu beeinträchtigen.
Zusätzlich bietet sich eine Ausweitung des Testprogramms auf weitere Kunststoffe und Farben an. So können Unterschiede im Haftverhalten, in der Sichtbarkeit der Prägung und im Materialkontrast analysiert werden. Dies ermöglicht eine präzisere Auswahl geeigneter Materialkombinationen für verschiedene Anwendungen im Bereich des strukturierten 3D-Drucks.