Wärmebehandlung im 3D-Druck: Was Sie darüber wissen müssen

Die Nachbehandlung ist ein Schlüsselschritt in der additiven Fertigung und wir haben bisher verschiedene Methoden gesehen, die in der Industrie unabhängig vom verwendeten 3D-Druckverfahren eingesetzt werden: Entpudern, Entfernen von Trägermaterial, Einfärben usw. Nun ist es an der Zeit, einen weiteren Punkt anzusprechen: die Wärmebehandlung von 3D-gedruckten Teilen. Je nach den gewünschten Ergebnissen, dem verwendeten Material und der bevorzugten Technologie gibt es verschiedene Arten der Wärmebehandlung. Man spricht von Sintern, Glühen bei Metallen, Aushärten (Curing) oder heißisostatischem Pressen. Der Nachbehandlungsschritt hat ein bestimmtes Ziel: die inneren Spannungen in einem 3D-Druckteil zu reduzieren und seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Je nachdem, welche Technik man wählt, erhält man natürlich unterschiedliche Ergebnisse, aber das Ziel ist es, diese Spannungen, die während des Druckvorgangs entstehen können, zu beeinflussen. Wir möchten Ihnen einen Überblick über die verschiedenen Wärmebehandlungsmethoden geben, die es bei der additiven Fertigung gibt, und Ihnen die jeweiligen Herausforderungen erläutern.

Bei der additiven Fertigung werden die hergestellten Teile unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt und durchlaufen je nach gewähltem Druckverfahren mehr oder weniger starke Aufheiz- und Abkühlphasen. Diese Phasen wirken sich direkt auf die Teile aus, die dadurch Eigenspannungen aufbauen. Die Wärmebehandlung nach dem Drucken ist daher von entscheidender Bedeutung, da sie nicht nur diese Spannungen beseitigt, sondern auch die mechanischen Eigenschaften der Teile wie Biegefestigkeit, Duktilität oder Endhärte beeinflusst.

Verschiedene Geräte ermöglichen die Durchführung von Wärmebehandlungen bei der additiven Fertigung. (Bild: Markforged)

Sintern

Das Sintern, auch Sinterung genannt, ist eine der Wärmebehandlungen, die bei der additiven Fertigung eingesetzt werden können. Wir möchten Sie darauf hinweisen, dass es sich dabei eher um einen Schritt im Herstellungsprozess als um eine Nachbehandlungsmethode handelt. Sie ist nämlich obligatorisch, wenn man Binder Jetting oder indirekten 3D-Druck verwendet. Darunter versteht man Verfahren, bei denen Kunststofffilamente mit Metallpartikeln verwendet werden. Durch das Sintern der rohen Druckteile wird das Bindemittel entfernt und die Metallpartikel verfestigen sich untereinander. Dazu ist ein Sinterofen erforderlich, in dem die Temperatur bis knapp unter die Schmelztemperatur des verwendeten Materials erhöht wird. Mit dieser Technik werden die ursprünglichen Pulverpartikel entfernt, die Porosität der Teile verringert und ihre Härte erhöht. Sie wird hauptsächlich bei Metallpulvern oder Keramik angewendet.

Zu berücksichtigen ist, dass das fertige Teil schrumpft. Beim Sintern verbinden sich nämlich die Materialpartikel miteinander und nehmen den Platz des Bindemittels ein, was die Größe Ihres ursprünglichen Teils verringert. Diese Verkleinerung liegt in der Größenordnung von 15 bis 20 %.

Aushärten von Polymeren

Wenn wir uns nun mit Polymeren in der additiven Fertigung beschäftigen, gibt es eine Technik, mit der die Teile behandelt und ihre endgültigen Eigenschaften verbessert werden können. Es handelt sich dabei um den Schritt des Aushärtens oder Curing. Dieser wird hauptsächlich beim Harz-3D-Druck eingesetzt. Harz besteht aus mehreren Monomeren, die in flüssigem Zustand nicht miteinander verbunden sind. Wenn es einer UV-Quelle ausgesetzt wird, verbinden sich genau diese Monomere miteinander, um das gewünschte Teil zu bilden. Nach dem Drucken werden jedoch einige Bereiche nicht optimal vernetzt sein, wodurch die Gesamtfestigkeit des gedruckten Bauteils beeinträchtigt werden könnte. Hier kann der Schritt des Aushärtens interessant sein, da er alle möglichen Vernetzungen vornehmen wird.

Bild: Formlabs

Sobald das Teil erstellt ist, wird es gereinigt, um überschüssiges, nicht lichtgehärtetes Harz zu entfernen und die Stützstrukturen zu entfernen. Dann kann das Teil in eine geeignete Maschine gelegt werden – in der Regel bieten die Hersteller von Harz-Druckern eine Curing-Station an, so auch Formlabs mit seiner Form Cure-Lösung. Dabei handelt es sich um eine UV-Kammer, die das gedruckte Teil härtet und ihm seine endgültigen Eigenschaften verleiht. Dadurch wird die Zerbrechlichkeit und das Risiko von Brüchen verringert. Durch das Aushärten wird auch die Farbe des Harzes fixiert und die Handhabung sicherer gemacht. Das Ergebnis ist ein langlebigeres Teil, was in vielen Bereichen von entscheidender Bedeutung ist.

Faktoren wie die Art des verwendeten Harzes oder die Größe des Teils haben einen direkten Einfluss auf die Wärmebehandlung. Je größer das Teil ist, desto länger dauert es meist, bis es ausgehärtet ist. Dies ist ein Faktor, den Sie bei Ihrem Herstellungsprozess berücksichtigen sollten.

Glühen im 3D-Druck

Wie der Name schon sagt, wird bei dieser Methode der Wärmebehandlung das 3D-Druckteil einer bestimmten Temperatur ausgesetzt, die je nach verwendetem Material höher oder niedriger ist. Nach dem Erhitzen wird es allmählich abgekühlt, um seine Festigkeit zu erhöhen. Diese Technik wird häufig bei Metallen, aber auch bei Glas angewendet. Auch einige Kunststoffe können geglüht werden, z. B. PLA und PETG. Bei anderen Thermoplasten, wie z. B. ABS, ist diese Methode nicht geeignet, da die Hitze Warping oder Verformungen verursachen kann.

Einige Thermoplaste sind mit dem Glühen vereinbar (Bild : UltiMaker)

Konkret bedeutet Glühen, dass das Material auf eine Temperatur erhitzt wird, die höher als seine Kristallisationstemperatur, aber niedriger als sein Schmelzpunkt ist. Bei Polymeren ermöglicht dies den Molekülen, sich neu zu organisieren, was die Stabilität des fertigen Teils verbessert. Bei Metallen bietet das Glühen den Partikeln die Möglichkeit, durch Rekristallisation ihre Größe zu vergrößern. In beiden Fällen hat die Dauer des Glühens einen Einfluss auf die Struktur Ihres Endprodukts: Je länger es der Hitze ausgesetzt ist, desto mehr wird sich seine Struktur verändern. So kann man z. B. nach dem Glühen kleinere Kunststoffteile erhalten, da die Hitze das Schrumpfen beschleunigt. Dies ist ein wichtiger Punkt, den Sie bereits bei der Konstruktion Ihres Teils berücksichtigen sollten.

Beachten Sie, dass das Glühen beim 3D-Metalldruck die Duktilität der erstellten Teile und ihre Festigkeit verbessern wird. Diese Technik wird vor allem bei Stahl angewendet.

Methoden zur Wärmebehandlung von Metallen

Wir wollen unseren Leitfaden mit einigen zusätzlichen Wärmebehandlungsmethoden abschließen, die speziell für Metalle verwendet werden. Als Erstes können wir das heißisostatische Pressen oder Hot isostatic pressing (HIP) nennen. Es kombiniert sehr hohe Temperaturen mit einem isostatischen Druck eines Inertgases, die, wenn sie gleichzeitig angewendet werden, die Dichte eines Teils und seine Festigkeit erhöhen. Konkret bedeutet das, dass wir unser Teil in einen Hochdruck-Sicherheitsbehälter einschließen, der dieser Kombination aus Hitze und Druck ausgesetzt wird. Dadurch werden alle inneren Hohlräume beseitigt und die restliche Porosität entfernt. Sie sollten wissen, dass diese Technik auch mit Keramik kompatibel ist.

Der HIP-Tank wird über dem 3D-gedruckten Teil installiert. (Bild: Bodycote)

Man kann 3D-gedruckte Metallteile auch durch Abschrecken verstärken: Dabei wird das Teil auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt und dann sehr schnell wieder abgekühlt. Dadurch wird die Mikrostruktur des Bauteils beeinflusst. Beim Abschrecken muss meist eine Flüssigkeit verwendet werden, um das Teil zu kühlen.

Es gibt noch weitere Wärmebehandlungsmethoden, die heutzutage mit der additiven Fertigung kompatibel sind, die Liste ist nicht vollständig. Aber Sie haben nun einen guten Überblick über die verfügbaren Techniken und ihre Bedeutung! Denken Sie daran, bereits in der Entwurfsphase bestimmte Parameter zu berücksichtigen, wie z. B. die Entnahme von Teilen.

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*Titelbildnachweis: Mark3D