Oberflächenrauheitswerte im 3D Druck
Wichtiges Qualitätskriterium für Funktionalität & Aussehen der Bauteile
Die Oberflächenrauigkeit ist ein entscheidender Faktor, der die Qualität und Funktionalität von 3D Druck Bauteilen beeinflusst. Sie bezieht sich auf kleine Abweichungen oder unregelmäßige Muster auf der Oberfläche eines Objekts, die sich zum einen auf sein ästhetisches Erscheinungsbild aber auch auf seine Funktionalität auswirken können. Die Werte der Oberflächenrauigkeit können je nach verwendetem 3D Druck Verfahren, dem Material und anderen Prozessparametern stark variieren. Das Verständnis und die Kontrolle der Oberflächenrauheitswerte sind entscheidend für die Herstellung hochwertiger Bauteile mit gleichbleibender und zuverlässiger Qualität. Im Folgenden geben wir Ihnen einen Überblick über das Thema.
Grundlegendes zu Oberflächenrauheitswerten im 3D Druck
Beim 3D Druck werden die Oberflächenrauheitswerte in der Regel in Mikrometern (µm) gemessen und können zwischen weniger als 1 µm und über 100 µm liegen. Der gewünschte Wert für die Oberflächenrauheit hängt von der beabsichtigten Verwendung des 3D gedruckten Bauteils ab. Bei Anwendungen, bei denen die optische Genauigkeit wichtig ist, wie beispielsweise bei der Herstellung von Linsenelementen oder transparenten Abdeckungen, ist eine glatte Oberfläche mit geringen Rauheitswerten erforderlich. Dagegen kann bei Anwendungen, bei denen es auf eine gute Griffigkeit ankommt, wie etwa bei Werkzeugen oder anderen griffigen Objekten, eine gröbere Oberfläche mit höheren Rauheitswerten wünschenswert sein.
Die Oberflächenrauheitswerte werden beim 3D Druck durch verschiedene Faktoren beeinflusst. So können etwa die Materialeigenschaften, darunter die Schmelztemperatur, die Viskosität oder die Wärmeleitfähigkeit erhebliche Auswirkungen auf die Rauheitswerte der Oberflächen haben. Ebenso spielen hier Prozessparameter wie Schichthöhe, Extrusionstemperatur oder Laserleistung eine wichtige Rolle. Durch Nachbearbeitungsprozesse wie Gleitschleifen, Färben oder Chemisches Glätten können die Oberflächenrauheitswerte von 3D Druck Bauteilen nach dem Druck außerdem verbessert werden.
Wie wird die Oberflächenrauigkeit ermittelt?
Ermittelt wird die Oberflächenrauigkeit von Bauteilen anhand sogenannter Rauheitskennzahlen, nämlich dem arithmetischen Mittenrauwert und der gemittelten Rautiefe.
Der arithmetische Mittenrauwert Ra wird dabei berechnet, indem der Durchschnitt der absoluten Abweichungen des Oberflächenprofils von seiner Mittellinie innerhalb einer bestimmten Stichprobenlänge bestimmt wird. Einfacher ausgedrückt wird damit die Unebenheit einer Oberfläche ermittelt, indem man die Höhenunterschiede der Oberfläche zu einer Bezugslinie misst und den Durchschnitt dieser Unterschiede bildet. Ra kann jedoch weder zwischen Spitzen und Rillen unterscheiden noch verschiedene Profilformen erkennen. Seine Definition beruht auf einer starken Mittelwertbildung, weshalb die Werte nur gering streuen und gut reproduzierbar sind.
Nicht zu verwechseln ist Ra mit der gemittelten Rautiefe Rz. Diese wird berechnet, indem der Abstand zwischen der höchsten Spitze und dem tiefsten Tal innerhalb von fünf Stichprobenlängen entlang des Oberflächenprofils gemessen und dann der Mittelwert dieser Messung gebildet wird. Rz reagiert damit insgesamt empfindlicher auf Veränderungen der Oberflächenstrukturen als Ra.
Durch die unterschiedliche Ermittlung der beiden Kennzahlen, ist es nicht möglich, diese direkt umzurechnen. Stark vereinfacht kann man jedoch folgende Formel annehmen: Rz = 7 * Ra.
Für das Selektive Lasersintern (SLS) und das Multi Jet Fusion (MJF) Verfahren hat die TU München die Kennzahlen an in den beiden Verfahren hergestellten Würfeln bestimmt und folgende Werte ermittelt:
| Ra (gesamt) in µm | Rz (gesamt) in µm | |
|---|---|---|
| SLS-Würfel unbehandelt | 11,99 | 63,46 |
| SLS-Würfel trowalisiert | 7,03 | 40,65 |
| SLS-Würfel trowalisiert & gestrahlt | 4,75 | 28,54 |
| MJF-Würfel unbehandelt | 10,08 | 54,02 |
| MJF-Würfel trowalisiert | 5,38 | 32,41 |
| MJF-Würfel trowalisiert & gestrahlt | 4,77 | 27,35 |
Oberflächenrauigkeit unserer Technologien
In Bezug auf die von uns angebotenen 3D Druck Technologien MJF, SLS und Fused Deposition Modeling (FDM) lässt sich sagen, dass die Oberflächenrauigkeit von HP MJF Bauteilen im Allgemeinen am geringsten ist, was durch das spezielle HP Verfahren erreicht wird und wodurch äußerst hochwertige Oberflächen hergestellt werden können. Die Oberflächenrauigkeit bei SLS Bauteilen ist in der Regel etwas höher als bei HP MJF und wird hier unter anderem durch Faktoren wie der Laserleistung, der Scangeschwindigkeit oder der Schichthöhe beeinflusst. Jedoch können auch mit dem SLS Verfahren Bauteile mit einer sehr guten Oberflächengüte hergestellt werden, welche durch Nachbearbeitungsprozesse wie Gleitschleifen oder chemisches Glätten zusätzlich noch verbessert werden kann. Die höchste Oberflächenrauigkeit besitzen Bauteile, die mit dem FDM Verfahren gefertigt werden. Auch hier wird die Rauigkeit wieder durch mehrere Faktoren beeinflusst, wie beispielsweise durch das verwendete Material, die Extrusionstemperatur, die Schichthöhe oder die Geschwindigkeit des Extruders.
Zusammenfassend kann man festhalten, dass die Oberflächenrauheit ein kritisches Qualitätskriterium beim 3D Druck ist, welches sich erheblich auf das Aussehen und die Funktionalität von 3D gedruckten Bauteilen auswirken kann. Das Verständnis und die Kontrolle der Oberflächenrauheitswerten sind für die Herstellung hochwertiger, zuverlässiger 3D Druck Teile deshalb von entscheidender Bedeutung.