Um 3D-gedruckte Teile zu polieren, um ein verfeinertes Finish zu erzielen, wenden Ingenieure eine Vielzahl industrieller Endbearbeitungstechniken an, darunter Beschichtung, Sandstrahlen und manuelle Endbearbeitungsmethoden. Obwohl mit dem 3D-Druck komplexe Teile hergestellt werden können, weisen die ersten Drucke oft raue Oberflächen und ausgeprägte Schichtlinien auf, insbesondere bei Teilen, die mit Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt wurden. Aus diesem Grund ist die Nachbearbeitung ein äußerst wichtiger Teil der Teileproduktion, bei der die raue Oberfläche des Rohteils durch Hinzufügen oder Entfernen von Schichten des Teils geglättet wird. In diesem Artikel stellt Antarctic Bear zwei gängige Oberflächenveredelungsverfahren, die derzeit auf dem Markt sind – Dampfglätten und Vibrationsfeinpolieren – systematisch vor und vergleicht sie, um das Verständnis der jeweiligen Prozesse sowie der Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden zu erleichtern.
glatt dämpfen
Die Dampfglättung, auch als chemische Dampfglättung bekannt, ist eine Oberflächenbehandlungstechnik, bei der gedruckte Teile einer verdunstenden Lösungsmittelumgebung ausgesetzt werden. Der industrielle Dampfglättungsprozess erfordert eine sorgfältige Aufhängung einzelner oder mehrerer Komponenten in einer luftdichten Kammer, um eine maximale Exposition zu gewährleisten. Eine chemische Lösungsmittelmischung wie FA 326 wird eingespritzt und in eine Kammer gesprüht, wo sie auf dem Teil kondensiert und aushärtet und Oberflächenunregelmäßigkeiten durch eine kontrollierte Schmelze beseitigt. Wenn die Kammertemperatur steigt, verdampft das restliche Lösungsmittel und wird zurückgewonnen. Das fertige Teil wird wasserdicht und behält seinen glatten Innenhohlraum, seine präzisen Abmessungen und sein ursprüngliches Materialvolumen. Um optimale Dampfglättungsergebnisse zu erzielen, wird empfohlen, den Prozess in einer kontrollierten Umgebung mit Geräten in Industriequalität durchzuführen, die für die Dampfglättung im 3D-Druck ausgelegt sind. Wer sich für eine Do-it-yourself-Methode interessiert, kann die Dampfglättung mit Aceton oder Ethanol als chemischem Lösungsmittel erreichen, in diesem Fall auch als Lösungsmittelimprägnierung bezeichnet. Es ist jedoch Vorsicht geboten und es müssen geeignete Sicherheitsmaßnahmen und -ausrüstung vorhanden sein.
△Der dampfglättende Teil befindet sich links und die Standardoberflächenbehandlung rechts (Fotoquelle: ProtoLabs)
Vibrationsfeinpolieren
Beim Gleitschleifen hingegen kommen keine Chemikalien zur Oberflächenvorbereitung zum Einsatz. Stattdessen werden abrasive Medien eingesetzt, um die Oberfläche des 3D-gedruckten Teils zu verbessern. Während des Prozesses werden mehrere 3D-gedruckte Teile in einen Vibrationsbehälter gelegt, der mit ausgewählten Schleifmitteln und zusammengesetzter Schmierflüssigkeit gefüllt ist. Wenn die Maschine eingeschaltet wird, beginnt sich die Trommel zu bewegen, wodurch mechanische Reibung zwischen dem Teil und den Schleifkörpern entsteht. Dieser subtraktive Prozess verbessert die Oberflächenqualität des Teils, indem die äußerste Materialschicht minimiert und sanft entfernt wird. Das Vibrationsfeinpolieren erfordert besondere Maßnahmen und Geräte und bietet zwei Methoden: Vibrationsmethode und Taumelmethode. Die Vibrationsmethode eignet sich besonders für größere Objekte mit weniger Details und kann schneller zum gewünschten Ergebnis führen.
Beim Vibrations-Feinpolieren ist die Wahl des Schleifmittels oder der Späne von entscheidender Bedeutung. Schleifsplitter können aus Keramik, Kunststoff oder Stahl bestehen und jeweils unterschiedliche Ergebnisse erzielen. Keramische Schleifmittel eignen sich besonders zum Entgraten und Erzielen einer glänzenden Oberfläche. Aufgrund ihrer hohen Dichte halten sie hohen Drücken stand und eignen sich für die Bearbeitung von Edelstahl-, Metall- und Kunststoffteilen. Kunststoff-Schleifmittel sind ideal für weiche, empfindliche Oberflächen, die eine schonende Bearbeitung erfordern. Es gibt sie sowohl in Pyramiden- als auch in Kegelform. Darüber hinaus hat Walther Trowl nippelförmige Schleifmittel für sehr kleine, empfindliche Teile an schwer zugänglichen Stellen entwickelt. Schleifmittel aus Stahl sind meist kugelförmig und weisen einen minimalen Materialabtrag auf. Sie eignen sich daher ideal zum Polieren und mechanischen Reinigen von Metall-, Silber- oder Aluminiumteilen, um eine glatte und kratzerfreie Oberfläche zu gewährleisten.
△Schleifmittel aus Keramik halten hohem Druck stand. (Quelle: Vibrafinish)
Für das Vibrationsfeinpolieren werden neben Schleifmitteln auch Schmierflüssigkeiten, also Compounds, benötigt. Compounds werden zum Absorbieren und Entfernen von Verschleiß an Teilen sowie zum Reinigen und Entfetten von Teilen verwendet. Für die Bearbeitung von Metallteilen zum Beizen können saure Verbindungen ausgewählt werden. Nach der Verarbeitung ist eine Trocknung erforderlich. Diese Teile können in einem Vibrationstrockner getrocknet werden, wo sie mit einem erhitzten Trocknungsmedium wie Maiskolbenmehl, Nussmehl oder Holzblöcken beaufschlagt und gerüttelt werden. Alternativ eignen sich Bandtrockner besonders für empfindliche und sperrige Teile mit innenliegenden Kanälen und Löchern. Bei einem Bandtrockner werden die 3D-gedruckten Teile durch ein Heißluftsystem auf dem Band geführt und auf diese Weise getrocknet.
Die Dauer der Dampfglättungs- und Vibrationspolierbehandlungen variiert je nach Anzahl und Komplexität der zu bearbeitenden Teile zwischen zehn Minuten und mehreren Stunden.
kompatibles Material
Vapor Smooth ist mit den meisten Polymeren und Elastomeren für den 3D-Druck kompatibel. Zu den gängigen Materialien zur Dampfglättung gehören Acrylnitril-Styrol-Acrylat (ASA), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), schlagfestes Polystyrol (je nach Maschine), Nylon 11 (PA 11), Nylon 12 (PA 12), Polypropylen (PP) und Polycarbonat /Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC-ABS). Es ist jedoch zu beachten, dass die Dampfglättung mit TPU und bestimmten Spezialfilamenten nicht empfohlen wird. Jedes Lösungsmittel wie Aceton, Methylethylketon (MEK), Tetrahydrofuran (THF), Dichlormethan (DCM) und Ethylacetat hat seine eigenen Wirksamkeits- und Anwendungsaspekte.
Allerdings ist das Vibrationsfeinpolieren mit vielen anderen Materialien kompatibel. Beispielsweise ist Vibrations-Feinpolieren nicht nur für 3D-gedruckte Teile aus Duroplasten, Thermoplasten und Elastomeren wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET) verfügbar, sondern kann auch für Metalle wie Aluminium und Edelstahl eingesetzt werden Stahl, Messing oder Kupfer. Dies macht es zu einer vielseitigeren Methode, die als Nachbearbeitungsmethode für verschiedene 3D-Drucktechniken wie FDM/FFF und Pulverbettfusion verwendet werden kann.
△Vorher-Nachher-Vergleich vibrationspolierter Metallteile (Quelle: Acton Finishing)
Einschränkungen und Vorteile von Nachbearbeitungstechniken
Beide Verfahren bieten viele Vorteile hinsichtlich Oberflächenoptik und Leistung. Durch das Dampfglätten können glatte und wasserbeständige Oberflächenteile erhalten werden, die mit dem Spritzgießen vergleichbar sind. Außerdem können die Dehnung, die Zugeigenschaften und die Biegeeigenschaften der Teile verbessert und ihre Eigenschaften, Festigkeit und Präzision erhalten bleiben. Durch das Gleitschleifen hingegen wird keine wasserbeständige Oberfläche erreicht, sondern es entsteht eine außergewöhnlich glatte Oberfläche, es werden Beschichtungsspuren entfernt und es entsteht eine kratz- und schmutzabweisende Oberfläche. Durch Vibrationsfinish- und Dampfglättverfahren bearbeitete Bauteile erzeugen glatte Oberflächen mit glänzender Optik. Allerdings sorgt das Dampfglätten für ein glänzenderes Finish als das Vibrations-Feinpolieren. Darüber hinaus zeigten mit dem Vibrationsfeinpolieren behandelte Teile ein deutlich weicheres und angenehmeres haptisches Erlebnis.
Es ist jedoch zu beachten, dass die Dampfglättung nicht für jeden Druck die beste Lösung ist. Modelle, die zu komplex, zu klein, zu groß oder zu flach sind, können verzerrt werden oder Details verlieren, und im Nachhinein können Artefakte sichtbar sein. Nach dem Glätten mit Dampf können Teile Mängel wie Brückenbildung, Blasen, Bissspuren, Randpfützen, Flecken, Löcher oder unvollständige Merkmale aufweisen. Darüber hinaus ist zu beachten, dass flexible Materialien anfälliger für Oberflächenfehler sind als starre Materialien. Daher muss bei der Glättung beweglicher Teile oder Komponenten mit Verbindungen mit Dampf auf einen sorgfältigen Zeitpunkt geachtet werden, um eine Beeinträchtigung der Verbindungsintegrität oder ein Verkleben durch übermäßige Dampfeinwirkung zu vermeiden.
Andererseits eignet sich das Vibrationsfeinpolieren für ein breiteres Spektrum 3D-gedruckter Teile als das Dampfglätten, da es durch die Wahl verschiedener Schleifmittel und Methoden an alle individuellen Anforderungen, Materialeigenschaften und Struktur des Teils angepasst werden kann. Die Gleitschleifbearbeitung eignet sich für fast alle 3D-gedruckten Teile, sofern der Prozess immer professionell von Spezialisten durchgeführt wird. Allerdings kann das Gleitschleifen zum Verlust der Teilegeometrie führen. Beispielsweise können die Ecken und Spitzen von Bauteilen übermäßig abgerundet werden und ihre Form verlieren, was beim Dampfglätten nicht der Fall ist. Darüber hinaus erfordert die Vibrationsbearbeitung mitunter nachträgliche weitere Trocknungsvorgänge, was den Prozess in die Länge zieht.
Anwendungsfeld
Die Dampfglättung ist eine Technologie, die in Branchen wie Medizin, Automobil und Luft- und Raumfahrt zur Behandlung wasserbeständiger, antimikrobieller und chemikalienfreier Komponenten bevorzugt wird. Beim Vibrationsfeinpolieren profitieren vor allem die Medizin-, Automobil- und Sportindustrie von dieser Technologie. In allen Bereichen sind glatte Oberflächen, insbesondere Metallteile, wichtig, um die ordnungsgemäße Funktion und den sicheren Zustand der Komponenten zu gewährleisten. Dampfglättung und Vibrationsfeinpolieren können jedoch im gesamten Produktentwicklungszyklus implementiert werden, von Konzeptmodellen über Prototypen bis hin zu Endprodukten, und werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter Medizin, Automobil und Konsumgüter. Beispiele für durch Vibrationsfeinpolieren bearbeitete Teile sind Autoteile für die Automobilindustrie oder Rollschuhe und Fitnessgeräte für die Sportindustrie. Darüber hinaus werden Schmuck und Geschirr für den Verbrauchergebrauch vibrationsfein poliert. Ein Beispiel für ein dampfgeglättetes Teil, das häufig in der Automobilindustrie verwendet wird, sind Innenkomponenten von Fahrzeugen, wie Armaturenbretter, Türgriffe und Mittelkonsolenelemente. Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie wird die Dampfglättung unter anderem für Flugzeugteile wie Flügel, Luftkanäle und Triebwerksteile eingesetzt.
Bild
△Dampfglättung wird häufig auf Flugzeugteile in der Luft- und Raumfahrtindustrie angewendet (Bildquelle: Fast Radius)
Lieferanten und Preise
Verschiedene Dienstleister wie die SPALECK GmbH, VibraFinish oder die Rohde AG bieten Vibrations-Feinpolieren für Privatkunden und Unternehmen an. Für die Dampfglättung sind Xometry, AMT, DyeMansion, Protolabs und Hubs führende Dienstleister, die Dampfglättungsdienste entweder durch eine bestimmte Nachbearbeitungslösung auf Maschinenbasis oder materialbasiert anbieten. 3Faktur ist ein deutsches Unternehmen, das Dampfglättungs- und Vibrationsfeinpolierdienste anbietet. Bekannte VaporSmoothing-Maschinen wie die AMT PostPro3D-Serie und die Powerfuse S-Serie sind Lösungen von Xometry und DyeMansion, während Protolabs und Hubs SLS- und MJFHPA 12-, PA 12- und MJF Ultrasint™ TPU-01-Materialien verwenden.
Für das Vibrationsfeinpolieren kosten große Industriemaschinen von Herstellern wie Walther Trowal, AVAtec oder Garant etwa 18,{1}} bis 21,000 (17,{5}} bis 20,{{ 7}}). 2 kg Schleifmittel kosten zwischen 21 – 44 $ (20 – 40 €) und 5 Liter Schleifmittel etwa 21 – 44 $ (20 – 40 €). Die Preise variieren stark je nach Menge und Größe der zu bearbeitenden Teile. Beim Dampfglätten kann die Servicegebühr für das Glätten einzelner Teile je nach Komplexität des Teils 15 $5-$ (4-€ 14) betragen, obwohl viele Hersteller den Service normalerweise nur in 10er-Paketen anbieten oder mehr Teile. Der Kauf des Dampfglätters selbst kann je nach Region, Hersteller und Qualität etwa 10,000 bis 30,000 $ (11,000–33,000) kosten .
