Armaturenbrett mit Holzmaserung (Objet)

Anwendungen in der Nachbearbeitung

Verbinden, versiegeln und verschönern Sie 3D-gedruckte Bauteile

Verschiedene unkomplizierte Nachbearbeitungen ermöglichen die Herstellung von Prototypen, sich die kaum von Spritzgussprodukten unterscheiden, von anspruchsvollen Werkzeugen und von individuell gefertigten, langlebigen Geräten mit schönem Design und angenehmer Haptik.

Verbinden und Kleben

Überblick

Erstellen Sie Modelle, die größer als der Bauraum Ihres 3D-Druckers sind, oder kombinieren Sie 3D-gedruckte Bauteile mit anderen Komponenten.

Verbinden von FDM-Bauteilen

Das Aufteilen und Verbinden von FDM (Fused Deposition Modeling)-Bauteilen ist eine hervorragende Lösung für Bauteile, die zu groß für einen einzelnen Arbeitsschritt sind, sowie für eine schnellere Auftragsabwicklung mit weniger Stützmaterial oder für Bauteile mit präzisen Details. Für das Verbinden von FDM-Bauteilen gibt es viele Methoden und sogar noch mehr Materialien.

Die wichtigsten Aspekte für die Auswahl einer Verbindungsmethode sind die Festigkeit der Verbindungsgelenke und die Kompatibilität mit den einzelnen FDM-Materialien. Stratasys führte an der University of Texas in El Paso Labortests durch, um Festigkeitsdaten zu erhalten und die Zugfestigkeit zu ermitteln. Zudem wurden weitere Aspekte wie z. B. Zeit, Kosten, Schwierigkeiten im Arbeitsablauf, Teilekonfiguration und allgemeine Leistung berücksichtigt. Die Präzision der verbundenen Teile hängt jedoch von vielen Faktoren ab. So wird die Präzision u. a. von Hafteigenschaften wie z. B. der Viskosität beeinflusst. Noch stärker wirken sich die Fähigkeiten des Technikers, der Gelenktyp und die Art der Montagevorrichtung aus.

Um Ihnen bei der Auswahl eines für Ihre Anforderungen geeigneten Ansatzes zu helfen, finden Sie im Folgenden eine kurze Auswertung der üblichen Verbindungsmethoden für Bauteile aus verschiedenen FDM-Materialien.

Klebstoff (Epoxid)

Für das Verbinden von FDM-Bauteilen werden häufig Zweikomponenten-Epoxide eingesetzt. Die Epoxid-Komponenten werden gemischt und anschließend mit Dispensern, Pinseln oder per Infiltration aufgetragen. Die Viskosität reicht von dünn und barytähnlich bis hin zu dick und kittähnlich. Daher kommen für das Auftragen unterschiedliche Techniken zum Einsatz. Nach dem Auftragen werden die verbundenen Abschnitte mit einer Montagevorrichtung oder Klemmen fixiert, bis das Epoxid ausgehärtet ist.

Die Epoxide weisen verschiedene Aushärtungsdauern, Materialeigenschaften und Verbindungsfestigkeiten auf. Im Allgemeinen sind sie jedoch einfach zu verwenden. Sie bieten eine gute mechanische Festigkeit und in der Regel eine geeignete Temperatur- und chemische Beständigkeit. Diese Klebstoffe zeichnen sich durch eine Bearbeitungszeit von 20 bis 70 Minuten aus, sodass auch nach dem Verbinden kleinere Anpassungen vorgenommen werden können. Dafür weisen sie jedoch eine lange Aushärtungszeit auf. Bei einer Aushärtung bei Raumtemperatur können die Teile über viele Stunden nicht behandelt werden, und die Aushärtungszyklen können ein bis fünf Tage dauern. Der Zyklus kann durch Heißhärtung erheblich verkürzt werden.

Klebstoff (Cyanacrylat)

Cyanacrylat wird häufig als Sekundenkleber bezeichnet. Es handelt sich um einen rasch aushärtenden Klebstoff, der für schnelle und einfache Reparaturen und Verbindungsanwendungen mit leichter Beanspruchung eingesetzt werden kann. Der Sekundenkleber wird einfach auf die zu verbindenden Kontaktflächen aufgetragen. Der Klebstoff verfestigt sich in wenigen Minuten. Die Zugfestigkeit von FDM-Bauteilen, die mit Sekundenkleber verbunden wurden, ist größer als bei der Verwendung von Epoxidklebstoffen. Jedoch ist die Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen, Chemikalien und Lösungsmitteln mangelhaft. Daher können Sekundenkleberverbindungen die Leistung der FDM-Bauteile beeinträchtigen. Aus diesem Grund werden sie eher für Konzeptmodelle sowie Form- und Passformprototypen und weniger für Funktionsprototypen oder gefertigte Bauteile empfohlen.

Lösungsmittel

Bei Lösungsmittelverbindungen wird der Kunststoff an den zu verbindenden Flächen chemisch geschmolzen. Das Lösungsmittel kann mit einem Pinsel auf die Flächen aufgetragen werden, die anschließend verbunden und eingespannt werden. Außerdem kann es in bereits verbundene Gelenke oder vorhandene Bruchstellen injiziert werden. Das wässrige Lösungsmittel wird von der Bauteiloberfläche absorbiert, sodass eine festere Reparatur oder Verbindung entsteht. Es können verschiedene Lösungsmittel verwendet werden, wir empfehlen jedoch SAME STUFF von Micro–Mark. Mit dieser Methode entstehen Verbindungen, die fester als viele Klebstoffverbindungen sind. Wie beim Sekundenkleber handelt es sich um ein einfaches Verfahren mit einer sekundenschnellen Verbindung. Eine weitere Gemeinsamkeit ist die mögliche Anwendung in schwer zugänglichen Bereichen, da das Lösungsmittel in Nähte und Risse eindringt.

Ein Vorteil gegenüber Sekundenkleber und Epoxid besteht darin, dass das verbundene Teil nach dem Verdunsten des Lösungsmittels nur aus FDM-Materialien besteht. Obwohl die Verbindung in wenigen Sekunden hergestellt wird, sollten die Teile mindestens acht Stunden lang aushärten. Beachten Sie zudem, dass bei Temperaturen von mehr als 80 °C auf der Bauteiloberfläche eine Blasenbildung auftreten kann. Das Lösemittelkleben ist nicht für PPSF- oder ULTEM 9085-Verbindungen geeignet. Diese FDM-Materialien sind chemisch beständig und reagieren daher kaum mit Lösungsmitteln.

Heißluft-Kunststoffschweißen

Das Heißluftschweißen von Kunststoffen ähnelt dem Autogenschweißen von Metall. Die Strahlflamme wird jedoch durch einen Heißluftstrahl und der Schweißdraht durch eine Faser aus FDM-Material ersetzt. Zum Verbinden der Teile wird ein Werkzeug zum Heißluftschweißen langsam entlang der Kontaktfläche geführt. Durch die Hitze schmilzt die Faser und füllt auf diese Weise die Naht aus. Mit dieser Methode entstehen Verbindungen, deren Festigkeit alle anderen Methoden übertrifft. Zudem ist sie schnell und kostengünstig.

Die Teile können in Betrieb genommen werden, sobald sie abgekühlt sind. Da es sich beim Verbindungsmaterial um eine kleine Menge an FDM-Kunststoff handelt, entstehen nur geringfügige Kosten. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von FDM-Material als Verbindungsmedium besteht im einheitlichen Material. Die Verbindung verfügt über dieselben Eigenschaften und Merkmale wie das Bauteil. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, sollten dünnwandige Bereiche nicht mit Heißluft geschweißt werden. Zudem erfordert das Verfahren ein gewisses Geschick, daher sind die Ergebnisse von der Erfahrung und den Fertigkeiten des Technikers abhängig.

Ultraschallschweißen

Diese Technik wird häufig in Produktionsprozessen für eine dauerhafte Verbindung zwischen Kunststoffteilen eingesetzt. Die Kontaktflächen werden mithilfe eines Werkzeugs für Ultraschallschweißen und Schallwellen geschmolzen. Da es Ultraschall-Handschweißgeräte gibt, kann diese Methode auch für Prototypenkleinserien oder die direkte digitale Fertigung eingesetzt werden. Abgesehen von den Kosten eines Schweißgeräts, weist das Ultraschallschweißen im Vergleich zu anderen Verbindungsmethoden (wenn überhaupt) nur wenige Nachteile auf. Die Schweißbereiche sind fester als das umgebende Material, wobei die Zugfestigkeit geringer als bei heißluftgeschweißten oder nicht verbundenen Teilen ist. Die Sonotrode des Ultraschallschweißgeräts und deren Spitzen können in der Regel ausgetauscht werden. Es gibt eine Vielzahl von Sonotroden und Spitzen, mit denen die Dicke des zu schweißenden Materials, der Schweißdurchmesser und die Art der Schweißnaht bestimmt werden können.

Da der Kontaktfläche kein zusätzliches Material hinzugefügt wird, bleiben Bauteilpräzision und Eigenschaften nahezu unverändert. Daher eignet sich das Ultraschallschweißen ideal für medizinische Anwendungen, bei denen die Qualität des Teils ebenso berücksichtigt werden muss, wie dessen Eignung für den Hautkontakt.

Wenn eine größere Festigkeit erforderlich ist, kann das Ultraschallschweißen mit anderen Methoden kombiniert werden. Sie können einzelne Teile heftschweißen, um deren Position zu fixieren, und anschließend Klebstoffe, Lösungsmittel oder andere Verbindungsmittel auftragen. Dieser Ansatz eignet sich insbesondere für unhandliche oder komplexe Baugruppen. Das Ultraschweißen ist eine schnelle und kostengünstige Methode. Das Teil kann nach Abschluss des Schweißvorgangs sofort in Betrieb genommen werden. Und da keine Verbrauchsmaterialien erforderlich sind, fallen lediglich direkte Arbeitskosten an.

Verbindungselemente (mechanisch)

Obwohl es sich hierbei um einen mechanischen Ansatz handelt, kann dieser eine wirksame Alternative darstellen. Es gibt eine Vielzahl von mechanischen Verbindungsansätzen und Hardwareoptionen für FDM-Bauteile. Ein einzigartiger Ansatz für mechanische Verbindungen ist das Einsetzen von Verbindungselementen in das FDM-Bauteil während des Herstellungsprozesses. Beim Verlassen der Fortus-Maschine sind die Verbindungselemente bereits in das Teil integriert.

Praxisbeispiel

„Wir alle sollten saubere, energieeffiziente Autos besitzen und fahren“, so Jim Kor, Präsident und leitender Designer der in Winnipeg ansässigen Entwicklungsgruppe KOR EcoLogic. Aufgrund seiner Leidenschaft für Umweltbelange entwickelte er ein an nachhaltigen Prinzipien ausgerichtetes neues Autokonzept mit dem Namen „Urbee“, das mithilfe der Produktionsfunktionen von Stratasys entstand. Der zweisitzige Urbee (kurz für „Urban Electric“) kann auch auf Ethanol zurückgreifen und soll so wenig Energie wie möglich verbrauchen. Seine Kraftstoffeffizienz liegt auf der Autobahn bei mehr als 85 km/l und in der Stadt bei 42 km/l. Es handelt sich um das erste Prototypauto, dessen gesamte Karosserie mit einem generativen Verfahren gedruckt wurde.

Beim Auswerten der Optionen stellte Kor fest, dass für die Fertigung der Karosserieteile des Prototyps aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer (Fiber Reinforced Polymer, FRP) oder Fiberglas das Fertigen von Anschlüssen für die einzelnen Karosserieteile in Originalgröße erforderlich wäre. Hierfür muss zuerst ein fester Rahmen aus Holz oder MDF gefertigt und anschließend mit einem dichten Schaum beschichtet werden, der von Hand geformt wird. Stattdessen könnte der Anschluss auch mit einer CNC-Fräsmaschine geformt werden, um eine präzisere Oberfläche zu erhalten.

„Die Fertigung einer Fiberglaskarosserie wäre sehr zeitaufwändig gewesen“, so Kor. „Und wir hätten uns mit dem gefertigten Entwurf bzw. den Bauteileigenschaften zufrieden geben müssen.“

Nachdem ihm einer der Industriedesigner von KOR Stratasys empfohlen hatte, glaubte Jim Kor, die Lösung für sein Team gefunden zu haben. Nach Gesprächen mit Vertretern von Stratasys war Kor überzeugt, dass alle Außenkomponenten mit Dimension 3D-Druckern und Fortus 3D-Produktionssystemen bei RedEye on Demand (dem internen Dienstleister von Stratasys für Rapid Prototyping und direkte digitale Fertigung) gefertigt und verbunden werden können.

Kor und seine Kollegen wandelten das gescannte Computermodell des Autos in neun logische Karosserieteile um und erstellten zunächst ein Modell im Format 1:6, um die exakte Passung aller Einzelteile zu prüfen. So konnte das Team sicher sein, dass die großen Teile keine Probleme bereiten würden.

Gemeinsam mit Stratasys wählte das Team ABS als geeignetes Material aus und begann mit der Fertigung des Autos. Nur wenige Wochen nach dem Startschuss waren bei KOR mehrere wichtige Karosserieteile entstanden. Als Erstes wurden Tür und Seitenteile in Originalgröße fertiggestellt. „Es handelte sich um große Teile“, erläuterte Kor. „Die Bauteile passten perfekt zusammen.“ Die übrigen Karosserieteile wurden von Stratasys gefertigt und verbunden.

„Stratasys kann einen Kotflügel fertigen und ihn genau dort anbringen, wo er hingehört“, so Kor weiter. „Das Verfahren ist so überzeugend, dass man es kaum glauben mag. Es ist gut für die Umwelt, senkt die Kosten, und es gibt keine Sicherheitsmängel. Wir setzen Materialien nur dort ein, wo diese benötigt werden. Dank der FDM-Technologie konnten auch während des Fertigungsprozesses Designänderungen am Urbee einfach und effizient umgesetzt werden“, erläuterte Kor. „Zudem konnten wir unsere Umweltziele einhalten, da wir keine Werkzeugfertigung oder maschinelle und handwerkliche Verarbeitung benötigten. Wenn Sie eine Vorserie ohne jegliche Werkzeugfertigung herstellen können, ist das von großem Vorteil.“

Kor schwärmte über die Geschwindigkeit der FDM-Produktionstechnologie. „Karosserieteile in nur wenigen Tagen oder Wochen zu fertigen, ist ziemlich rasant“, sagte er. „Andere Methoden sind um Monate langsamer.“

Jim Kor über das Verbinden der FDM-Bauteile des Urbee

„Für die Funktionstests mit dem Urbee-Modell wurde aus ABS-Kunststoff eine Autoverkleidung in Originalgröße gefertigt. Einige Teile konnten aufgrund ihrer Größe nicht in einem Stück gefertigt werden und wurden daher in Einzelteilen mit dem Fortus 900mc hergestellt. Nach dem Fertigen der Bauteile mussten die einzelnen Komponenten verbunden werden. Wir nutzten die Heißluftschweißmethode. Die Einzelteile wurden mit Schwalbenschwanzverbindungen, Klemmen und Gripzangen fixiert. Anschließend wurden die Kontaktflächen heftgeschweißt. Im nächsten Schritt wurden alle Außenverbindungen und Innenrippungen mit derselben Heißluftschweißmethode verbunden. Die innere, nichttragende Rippung wurde mit dem Lösungsmittel ProWeld verbunden. Um die Außenflächen aus ästhetischen Gründen und für die Funktionstests zu glätten, wurden die Schweißnähte geschliffen.“

Kleben von PolyJet-Bauteilen

Dank der Overmolding-Funktionen von Objet müssen für weitaus weniger Produkte Formteile zusammengeklebt werden. In einigen Fällen ist das Kleben jedoch erforderlich, um Modelle zu erstellen, die größer als der Bauraum sind, oder um 3D-gedruckte Bauteile mit anderen Komponenten zu kombinieren. Glücklicherweise können mit PolyJet-Photopolymeren gedruckte 3D-Bauteile einfach und schnell mit herkömmlichen, kostengünstigen Haushaltsklebern zusammengeklebt werden.

Bei großen Modellen kann das Design für den 3D-Druck in mehrere Teile aufgeteilt werden. Hierbei wird mithilfe eines Softwareschneidetools sichergestellt, dass die Teile präzise zusammengefügt werden können. Die Bauteile können entweder mit Sekundenkleber verbunden oder mit einem Klebstoff zusammengefügt werden, der ein Aktivierungsmittel erfordert, sodass die Bindedauer gesteuert werden kann und Positionsänderungen möglich sind.

Vordrucken der zu klebenden Teile

Beim Drucken großer Bauteile können Sie Ihren Entwurf in mehrere Teile aufteilen, die Sie anschließend zusammenkleben, um die vollständige Baugruppe zu erhalten. Dies kann vor dem Fertigstellen des Entwurfs mit der CAD-Software erfolgen, oder Sie bearbeiten das fertige CAD-Design mit einer Software für STL-Dateien. Beim Zusammenkleben mehrerer Teile müssen die folgenden Punkte berücksichtigt werden:

  • Auswahl einer einfachen Methode zum präzisen Verbinden der Teile
  • Beibehalten der im CAD-Entwurf festgelegten Maßeigenschaften der zusammengeklebten Teile

Mit dem Softwareschneidetool Magics können Sie mehrere Bauteile unter Berücksichtigung dieser Aspekte einfach und intuitiv zusammenkleben. Die Schneidesoftware Magics verfügt über mehrere Optionen. Zur Verwendung des Softwaretools wird folgendes Verfahren empfohlen:

  1. Richten Sie die Ansicht des Teils an dessen natürlichem Koordinatensystem aus (d. h. Front-, Rück-, linksseitige Ansicht usw.). Auf diese Weise können Sie anschaulich ermitteln, wo die Schnittlinie bezogen auf das Teil verlaufen soll.
  2. Zeichnen Sie die Schnittlinie ein. Es wird empfohlen, mit einem Punkt außerhalb des Teilaufbaus zu beginnen und mit einem Punkt auf der anderen Seite abzuschließen, um eine gerade Linie durch das Teil zu erhalten.
  3. Sie können zwischen einem dreieckigen (für geklebte Teile am besten geeignet), viereckigen (optimal für Formen), einem Stichsägen- oder benutzerdefinierten Schnitt wählen. Zudem können Sie die Größe und den Versatz der Schnittart bestimmen.
  4. Stellen Sie sicher, dass zwischen den geschnittenen Teilen ein Freiraum besteht. Dadurch bleibt genug Platz für den Klebstoff, und es ist gewährleistet, dass das fertiggestellte Teil den festgelegten Maßeigenschaften entspricht. Beachten Sie, dass der Wert für den Freiraum abhängig vom verwendeten Klebstoff abweicht. Der empfohlene Standardwert liegt bei 0,1 mm. Nach Abschluss des Schnittvorgangs werden zwei separate STL-Dateien erstellt, die auf der Bauplattform einzeln gedruckt werden können.

Nachbearbeiten der zu klebenden Bauteile

Das folgende Verfahren sollt vor dem Zusammenkleben der Bauteile durchgeführt werden:

  1. Nach dem Drucken der Bauteile müssen diese in der WaterJet-Station gereinigt werden.
  2. Tauchen Sie die Bauteile nach dem Reinigen für 20 bis 40 Minuten in eine zweiprozentige, in Wasser aufgelöste NaOH-Lösung. Dadurch werden alle Rückstände des Stützmaterials entfernt.
  3. Waschen Sie die Bauteile erneut mit Wasser.
  4. Lassen Sie die Bauteile an der Luft trocknen, oder beschleunigen Sie das Trocknen mit Druckluft.

Empfohlene Klebstoffarten

Die von PolyJet-Experten am häufigsten verwendeten Klebstoffe sind Sekundenkleber (auch als Cyanacrylate bezeichnet). Bei Cyanacrylat handelt es sich um ein Acrylharz, das im Beisein von Wasser (insbesondere Hydroxid-Ionen) rasch polymerisiert. ALTECO ACE – D wird in der Regel mit einem Aktivierungsmittel verwendet, über das die Bindedauer bestimmt werden kann. Mithilfe eines Aktivierungsmittelsprays können auch die auf das Modell gelangten Rückstände ausgehärtet werden. Diese können anschließend abgeschliffen werden, um überschüssigen Klebstoff auf den Bauteilen zu vermeiden.

Für eine sofortige Verbindung sollte der Klebstoff auf die gewünschte Fläche aufgetragen und anschließend mit dem Aktivierungsmittel besprüht werden. Weitere Informationen zu Klebstoffen und Aktivierungsmitteln finden Sie unter den folgenden Links:

Weitere Klebstoffarten

Feste Bauteile

  • LOCTITE 401 – mittlere Viskosität
  • Permabond Ultra Fast 792 – äußerst schnelle Aushärtung, Mehrzweckklebstoff
  • Al-fix – beinhaltet ein Aktivierungsmittel
  • Kleiberit 851.0 – mit benutzerfreundlicher Auftragskappe

Flexible Bauteile

  • Sico Met 8300 und High Speed Accelerator-Spray — optimal für Elastomere
  • Permabond Black Magic 737 für flexible Bauteile