Wasserfeste Bauteile im 3D-Druck herstellen

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Bauteile, die einer feuchten Umgebung oder sogar Regen ausgesetzt sind, müssen wasserbeständig sein. Dies gilt besonders, wenn sie, wie etwa Getränkeflaschen, ständig mit Wasser in Kontakt kommen. Für solche Anwendungen darf sich das Material nicht vollsaugen. Wer diese Eigenschaft auch im 3D-Druck erhalten will, muss einige Punkte berücksichtigen.

Autor: Niko Mroncz, Sales Engineer, Xometry Europe

Inhaltsverzeichnis
1. Werkstoffe für den 3D-Druck wasserfester Bauteile
2. Tipps, um beim FDM-Verfahren die Wasserbeständigkeit zu erhöhen
3. Mit der richtigen Nachbearbeitung zum wasserfesten Bauteile

Um wasserfeste Teile im 3D-Druck herzustellen, müssen Material, 3D-Druck-Verfahren und Nachbearbeitung stimmen. So können sich einige 3D-Druckmaterialien wie PLA zersetzen, wenn sie über einen längeren Zeitraum Wasser ausgesetzt sind. Metalle wiederum oxidieren bei Wasserkontakt und rosten. Gemäß Ingress Protection Code (IPC) sind Materialien mit guter Wasserbeständigkeit als IP 67 oder IP 68 klassifiziert.

Die Produktionsplattform Xometry Europe erhält täglich Anfragen von Kunden, die wasserfeste, beziehungsweise wasserbeständige, Bauteile benötigen. Aus seiner großen Praxiserfahrung mit dem 3D-Druck hat das Unternehmen den folgenden Überblick erstellt.

Er zeigt zunächst, welche 3D-Druckmaterialien zur Herstellung wasserbeständiger Modelle ohne große Oberflächenbehandlung verwendet werden können:

Werkstoffe für den 3D-Druck wasserfester Bauteile

Polypropylene (PP)

Wird häufig für Flaschen und Lebensmittelverpackungen eingesetzt. Es ist leicht und wasserabweisend (hydrophob) – anders als poröse Materialien, die mit der Zeit Wasser aufnehmen. Polypropylen ist sehr flexibel und hat eine gute Haftung zwischen den Schichten, so dass beim Druck kaum Lücken entstehen. Es ist nicht nur wasserabweisend, sondern auch beständig gegen aggressive Chemikalien wie Säuren und organische Lösungsmittel. Zudem gut hitzebeständig. Geeignete 3D-Druck-Verfahren: MJF, SLS

Nylon PA 12

Eingeschränkt resistent gegen Wasser, weil ein poröses Material. Nur durch ein entsprechendes Finish wird es wasserdicht. Besitzt hohe Elastizität und Stoßfestigkeit. Ausgezeichnet geeignet für Chemikalien, Alkohole, Kraftstoffe, Öle und Reinigungsmittel. Zudem gute Witterungsbeständigkeit und auch resistent gegen ultraviolettes Licht. Auch Laugen können durchgespült werden. PA12 bietet ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Es ist jedoch nicht für den langfristigen Kontakt mit Wasser geeignet und bedarf einer speziellen Oberflächenbehandlung wie Epoxidbeschichtung, um eine bessere Wasserbeständigkeit zu gewährleisten. Geeignet für: SLS, FDM, MJF

ABS

Eignet sich hervorragend für wasserfeste 3D-Drucke. ABS ist ein hochschlagfestes und zähes Material mit einer Glasübergangstemperatur von etwa 105°C. Es ist sehr beständig gegen Wasser-, Phosphor- und Salzsäure. Allerdings kann es durch Sonnenlicht beschädigt werden. Wird häufig für Sprinklerleitungen und Abflussrohre verwendet. Geeignet für: FDM

Polycarbonat

Klares Material und damit ideal für Babyflaschen sowie wieder auffüllbare Wasserflaschen. Polycarbonat ist ein zähes und amorphes Material mit hoher Schlagfestigkeit, Stabilität und guten elektrischen Eigenschaften. Mit einer Wärmeformbeständigkeit von 140 °C bietet es einen breiten Temperaturbereich in der Anwendung. Geeignet für: FDM

PETG

Hohe chemische Beständigkeit, Haltbarkeit und gute Formbarkeit. Besitzt eine starke Wasser- und Feuchtigkeitsbarriere sowie gute Schlagfestigkeit und ist leicht flexibel. Das Material hat niedrige Verformungstemperaturen, was es für Konsumentenanwendungen beliebt macht. Häufig für Lebensmittelbehälter und Getränkeflaschen verwendet. Geeignet für: FDM

wasserfeste Bauteile, FDM, ASA, green — Ein wasserfestes Probestück, aus ASA im FDM-Verfahren hergestellt
Bild: Xometry Europe

ASA (Acrylonitrile styrene acrylate)

Ein amorpher Thermoplast mit verbesserter Wetterbeständigkeit. Aufgrund seiner UV-Beständigkeit und seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften wird er häufig für das Prototyping im 3D-Druck verwendet. ASA hat eine gute Chemikalien- und Wärmebeständigkeit und eine Glasübergangstemperatur von 108 °C. Geeignet für: FDM

Edelstahl 316L/1.4404

Edelstahl ist wasserbeständig, hoch leitfähig und weist gute Wärmeeigenschaften auf. Zudem ist er besonders rostbeständig, kann allerdings durch chlorhaltiges Wasser beschädigt werden. Wird in der Regel in der Lebensmittelverarbeitung und für Laborgeräte, Wärmetauscher, Muttern und Schrauben verwendet. Geeignet für: DMLS

wasserfeste Bauteile, DMLS, Edelstahl — Wasserfestes Bauteil, im DMLS-Verfahren aus Edelstahl hergestellt
Bild: Xometry Europe

Tipps, um beim FDM-Verfahren die Wasserbeständigkeit zu erhöhen

FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithographie) und SLS (Selektives Lasersintern) sind die besten 3D-Druck-Technologien für die Herstellung von wasserfesten Teilen. Während des FDM-Druckverfahrens können zudem die folgenden Anwendungstipps umgesetzt werden, um noch bessere wasserfeste Eigenschaften zu erzielen.

Wandstärke

Einer Schichtdicke von 0,15 mm ergibt eine gute Druckqualität und gut wasserbeständige Teile. Eine noch höhere Wanddicke ist eine Möglichkeit, die Wasserdurchlässigkeit zu verringern. Die Wanddicke kann durch eine niedrige Schichthöhe, eine feste Füllung und eine hohe Temperatur gesteigert werden. Als Faustregel gilt: Je mehr Shells hinzugefügt werden, desto größer die Chancen, ein wasserdichtes Teil herzustellen. Die Kombination von 4 bis 6 Perimetern mit einer Wandstärke von etwa 3 mm eignet sich gut für wasserdichte Teile. Verschiedene Materialien haben jedoch unterschiedliche Umfangsgrenzen. Diese müssen für das gewählte Material berücksichtigt werden.

Höhere Drucktemperatur

Höhere Temperaturen können eine bessere Haftung zwischen den einzelnen Schichten bringen. Die verbesserte Haftung verringert Lücken zwischen den Schichten, durch welche Wasser austreten könnte.

Mit der richtigen Nachbearbeitung zum wasserfesten Bauteil

Folgende Nachbearbeitungsprozesse sind eine gute Wahl, um Bauteile mit der im Betrieb erforderlichen Wasserbeständigkeit zu versehen:

Vapour Smoothing/Dampfglätten

Hierbei werden die Schichten vermengt, Lücken zwischen den Schichten beseitigt und die Versiegelung um das Teil herum verfestigt. Dies wird hauptsächlich durch die Anwendung eines Lösungsmittels auf ein lösliches Druckteil erreicht. Es gilt jedoch, dass chemische Lösungsmittel für die verschiedenen Werkstoffe eine besondere Rolle spielen. Verfügbar für: MJF und SLS

Kunstharz-Infiltration

Das Verfahren führt zu ähnlichen Eigenschaften wie eine Lackierung. Vor dem Auftragen von Epoxidharz ist es wichtig, die Oberfläche des 3D-Teils zu schleifen und zu polieren, um sie so glatt wie möglich zu bekommen. Zweikomponenten-Epoxidharze sind ideal für die Herstellung von wasserfesten 3D-Teilen. Deren Fließfähigkeit reicht gerade aus, um in die Risse, Hohlräume oder Lücken des Druckteils zu sinken. Das Epoxid härtet dort aus und bildet eine starre Schicht. (eve)

Vom Autor Niko Mroncz sind auf additive – Die Plattform für die additive Fertigung erschienen: