Was ist Rheologie und warum ist sie beim 3D-Druck von Polymeren wichtig?

Der Begriff Rheologie bezieht sich auf einen Zweig der Physik, der sich mit Flüssigkeiten befasst. Konkret analysiert er das Verhalten von Materialien, wenn sie fließen oder sich verformen, d. h. wie sie auf eine ausgeübte Kraft oder Belastung reagieren. Obwohl die Rheologie in einer Vielzahl von wissenschaftlichen und technologischen Disziplinen Anwendung findet, ist sie im Zusammenhang mit dem 3D-Druck für einige Fertigungstechnologien von entscheidender Bedeutung. Sie dient dazu, zu verstehen und zu kontrollieren, wie sich die verwendeten Materialien, wie Kunststoffe und sogar Hydrogele, während der sukzessiven Überlagerung von Schichten verhalten.

Dieser Zweig der Physik wurde von Eugene Bingham eingeführt und entwickelte sich ab 1930 zu einer eigenständigen Disziplin. Etymologisch stammt der Begriff Rheologie vom griechischen rheo, was „fließen” bedeutet, und logos, was „Wissenschaft” bedeutet. Einfach ausgedrückt beschreibt die Rheologie die Verformung und das Fließen von Materialien unter verschiedenen Belastungsbedingungen. So kann ein rheologisches Material nach seinem Verhalten klassifiziert werden, wenn es verschiedenen Kräften ausgesetzt ist. Hervorzuheben sind elastische Feststoffe, die nach der Verformung ihre Form behalten, oder auch viskose Flüssigkeiten, die unter einer Kraft kontinuierlich fließen. Schließlich gibt es noch viskoelastische Flüssigkeiten, also Materialien, die sowohl die Eigenschaften elastischer Feststoffe als auch viskoser Flüssigkeiten aufweisen. Dies ist beispielsweise bei Polymeren der Fall, die im 3D-Druck verwendet werden.

Ein gutes Verständnis der Rheologie ermöglicht es, die Qualität der 3D-gedruckten Teile zu gewährleisten.

Die Bedeutung der Rheologie im 3D-Druck

Die Rheologie ist im 3D-Druck von entscheidender Bedeutung, um zu beschreiben, wie sich polymere Materialien verhalten, wenn sie durch Extrusion oder Polymerisation auf die Fertigungsplatte aufgebracht werden. Das Verständnis der Rheologie dieser Kunststoffe hilft dabei, ihr Verhalten während des Druckprozesses vorherzusagen, was wiederum entscheidend ist, um die Qualität und Präzision des Endprodukts zu gewährleisten. Denn das rheologische Verhalten der Materialien während des Druckvorgangs wirkt sich direkt auf verschiedene Aspekte des Prozesses und die Qualität des gedruckten Teils aus. Zu den Gründen, warum die Rheologie im 3D-Druck von grundlegender Bedeutung ist, gehören:

Kontrolle der Viskosität: Sowohl bei Extrusions- als auch bei Harzprozessen muss das Material ein genaues Gleichgewicht zwischen Viskosität und Elastizität aufweisen. In beiden Fällen wirkt sich die Viskosität des Materials direkt auf dessen Fließverhalten und die Qualität des Endprodukts aus. Ist die Viskosität zu hoch, lässt sich das Material nur schwer extrudieren oder auftragen, was zu Verstopfungen, Staus oder einer ungleichmäßigen Verteilung führt und fehlerhafte Teile zur Folge hat. Ist die Viskosität hingegen zu niedrig, kann das Material übermäßig fließen, was zu unerwünschten Ansammlungen, Verformungen oder unscharfen Schichten führt. Die rheologische Untersuchung und die richtige Einstellung der Prozessbedingungen, wie Temperatur und Extrusionsgeschwindigkeit, ermöglichen eine Optimierung des Materialflusses bei beiden Techniken.

Untersuchung der Rheologie im Zusammenhang mit dem 3D-Druck durch Extrusion.

Reduzierung von Tropfenbildung und Überlaufen: Bei der Material-Jetting-Technologie, bei der das Harz auf den Druckbereich gespritzt wird, kann die Rheologie Tropfenbildung oder Überlaufen des Materials verhindern. Wenn das Harz eine ungeeignete Rheologie aufweist, kann es zu einer schlechten Ablagerung kommen. Das Material muss eine ausreichend niedrige Viskosität aufweisen, um gut fließen zu können, aber hoch genug sein, um ein Tropfen oder Überlaufen des Materials zu verhindern.

Haftung zwischen den Schichten: Eine der Herausforderungen beim 3D-Druck besteht darin, sicherzustellen, dass jede gedruckte Schicht richtig an der vorherigen Schicht haftet. Dies hängt in hohem Maße von den rheologischen Eigenschaften des Materials ab. Die Materialien müssen ausreichend viskos sein, damit die neu aufgetragene Schicht ihre Form behält und nicht übermäßig fließt. Außerdem müssen sie viskoelastische Eigenschaften aufweisen, damit die Schicht schmilzt und gut an der vorherigen Schicht haftet. Dies ist besonders wichtig bei hochauflösenden Drucken und Teilen mit komplexen Geometrien.

Dimensionale Stabilität und Nachbehandlung: Nach dem Druck neigen viele Materialien zu Verformungen, insbesondere beim Abkühlen und Aushärten. Diese Verformungen, wie z. B. Warping oder Schrumpfen, können die Qualität und Präzision der Teile beeinträchtigen. Die Rheologie sagt voraus, wie sich Materialien beim Abkühlen verhalten werden, sodass die Druckbedingungen angepasst werden können, um diese Probleme zu minimieren.

Analyse der Rheologie im 3D-Harzdruck.

Entwicklung neuer Materialien: Die Rheologie spielt eine Schlüsselrolle bei der Erforschung neuer Verbundwerkstoffe für den 3D-Druck. Dazu gehören Materialien mit spezifischen Eigenschaften wie hoher Temperaturbeständigkeit, höherer Flexibilität oder geringerer Verformung beim Abkühlen. Die rheologische Charakterisierung ermöglicht es, das Verhalten dieser Materialien im Druckprozess vorherzusagen und sicherzustellen, dass sie für den Einsatz mit dieser Technologie geeignet sind und in verschiedenen Branchen angewendet werden können.

Wie wir sehen, ist die Rheologie ein wichtiger Begriff, den es beim 3D-Druck von Polymeren zu berücksichtigen gilt. Vom Materialfluss bis hin zur Verbesserung der Haftung zwischen den Schichten und der Minimierung von Verformungen – das Verständnis des rheologischen Verhaltens der Materialien ermöglicht es, jede Phase des additiven Fertigungsprozesses zu optimieren. Dieses Wissen ist nicht nur entscheidend für die Gewährleistung der Qualität der gedruckten Teile, sondern auch für die Entwicklung neuer Materialien mit Eigenschaften, die die Möglichkeiten des 3D-Drucks in industriellen Bereichen erweitern.

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*Titelbildnachweis: Repsol