Vapour Smoothing als Nachbearbeitungsverfahren im Kunststoff-3D-Druck

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Pulverbettverfahren wie SLS und MJF hinterlassen eine matte Oberfläche. Beim FDM-Verfahren wiederum zeigen sich Schichtlinien. Die Technologie der chemischen Dampfglättung, engl. Vapour Smoothing, glättet die Oberfläche von additiv gefertigten Bauteilen und verbessert deren mechanische Leistung.

Autor: Niko Mroncz, Sales Engineer Xometry Europe

Inhaltsverzeichnis
1. Was ist Vapour Smoothing?
2. Die Vorteile des Vapour Smoothing im 3D-Druck
3. Vapour Smoothing im Pre-Processing – Tipps für die Konstruktion
4. Probleme beim chemischen Dampfglättenund deren Lösungen

Der 3D-Druck ist perfekt für die Produktion von Kleinserien. Bei Kunststoffteilen gibt es aber einen großen Nachteil gegenüber traditionellen Herstellungsverfahren: Die Oberflächen sind meist grob. So hinterlassen Pulverbettverfahren, wie das Selektive Lasersintern (SLS) oder das Multi-Jet-Fusion-Verfahren (MJF) von HP eine matte, würfelzuckerartige Oberfläche. Beim Fused Deposition Modeling wiederum zeigen sich deutliche Schichtlinien. Stehen optische Aspekte im Vordergrund, wählen Entwickler daher bislang noch meist andere Verfahren wie Spritzguss, maschinelle Bearbeitung oder Urethan-Gussteile.

Was ist Vapour Smoothing?

Die noch junge Technologie der chemischen Dampfglättung, engl. Vapour Smoothing, verändert die Lage. Das Verfahren glättet die Oberfläche von 3D-Druckbauteilen und verbessert deren mechanische Leistung durch verdampfte Lösungsmittel. Vapour Smoothing erweitert die Möglichkeiten von additiv gefertigt Kunststoffe hinsichtlich einer Kleinserienproduktion. Das Nachbearbeitungsverfahren funktioniert bei den meisten 3D-gedruckten Polymeren und Elastomeren.

Der Dienstleister Xometry vermittelt es über seine gleichnamige Produktionsplattform und hat daher bereits Erfahrungen in der Anwendung gesammelt. Im Gegensatz zu physikalischen Glättungsverfahren wie Schleifen oder Gleitschleifen wird beim Dampfglätten kein Material auf dem Werkstück entfernt. Vielmehr wird ein Dampfglättungsmittel, beispielsweise FA 326, zusammen mit den Bauteilen in eine abgedichtete Bearbeitungskammer eingeführt.

Die Teile werden in der 600 x 400 x 400 mm großen Kammer gestapelt oder aufgehängt, um die dem Dampf ausgesetzte Oberfläche zu maximieren. Der Dampf erzeugt an der Oberfläche eine kontrollierte chemische Schmelze. Diese reduziert Spitzen und Täler, indem das Material verflüssigt und umverteilt wird und so die Oberfläche glättet. Durch die Schmelze entsteht zudem ein höherer Glanz des Materials.

Sobald die Teile fertig sind, wird die Kammer beheizt und das Finishing-Mittel in einen Auffangbehälter abgelassen. Es verbleiben keine Rückstände auf den geglätteten Teilen. Diese sind nun bereit für den Versand oder für den Einsatz zur Behandlung in weiteren Verfahren.

Die Vorteile des Vapour Smoothing im 3D-Druck

Dampfgeglättete Teile sehen deutlich besser aus: Ihre Oberflächenbeschaffenheit ist vergleichbar mit der von Spritzgussteilen: So haben Standard-SLS-Teile in der Regel eine Oberflächenrauheit von mehr als 6.4µm Ra. Mit chemischem Dampfglätten kann die Rauheit auf unter 3.2µm Ra und bis zu 1µm Ra verbessert werden.

Vapor Smoothing MJF Nylon-PA12 - Vergleich — Links ein Teil aus Nylon PA12 direkt nach dem Druck im Multi-Jet-Fusion Verfahren von HP, rechts nach der Bearbeitung durch Vapour Smoothing. (Bild: Xometry)

Dabei bleibt zu beachten, dass beim chemischen Dampfglätten das Oberflächenmaterial neu verteilt wird. Man erhält eine versiegelte, glatte, jedoch keine polierte Oberfläche. Es bleibt eine sichtbare Oberflächentopologie und minimale Schichtlinien erhalten.

Die chemische Dampfglättung kann die Lebensfähigkeit von additiv gefertigten Bauteilen in der Lebensmittelverarbeitung, bei medizinischen Geräten und Konsumgütern erheblich verbessern. Sie wird daher für Endanwendungen in diesen Bereichen empfohlen. Vor allem dampfgeglättete Bauteile aus dem Werkstoff Nylon 12 reduzieren die Anhaftung und das Wachstum von Bakterien. Studien haben gezeigt, dass Vapour Smoothing bei SLS- und MJF-Teilen mehrere Biokompatibilitäts- und Sicherheitstests besteht.

Zu den weiteren Vorteilen des Vapour Smoothing zählen verbesserte Zug-, Dehnungs- und Biegeeigenschaften, eine deutlich reduzierte Feuchtigkeitsaufnahme sowie der geschlossene Kreislauf und wiederholbare Verarbeitungsergebnisse.

Vapour Smoothing im Pre-Processing – Tipps für die Konstruktion

Um das chemische Dampfglätten als Nachbearbeitungsverfahren einsetzen zu können, müssen bereits bei der Konstruktion im CAD-Programm einige Dinge beachtet werden.

Scharfe Innenecken sollten abgerundet werden, damit keine Hohlräume entstehen.
Wände und Elemente sollten stärker als ein Millimeter sein, damit es nicht zu Verformungen kommt.
Ähnlich wie beim Spritzguss sollte man auf gleichbleibende Wandstärken achten.
Es können Rüttelspuren sichtbar werden, je nach Halterung des Werkstücks während der Bearbeitung.
Flexible Materialien, etwa TPU 88A, können mehr Oberflächenfehler aufweisen als starre Materialien.

Probleme beim chemischen Dampfglätten und deren Lösungen

Im Folgenden sind die häufigsten Probleme aufgelistet, die nach der Erfahrung von Xometry beim Vapour Smoothing auftreten. Schon bei der Konstruktion können Anwender diese vermeiden.

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Bridging

Die Oberfläche kann während der Verflüssigungsphase des Vapour Smoothing Blasen werfen. Das Material bildet dann eine dünne Schale, die kleine Spalten oder Wände von scharfen Ecken verbindet. Diese Brückenbildung kann durch einen größeren Abstand zwischen den Lücken sowie durch Hinzufügen großer Radien an scharfen Innenecken gemildert werden.

Bubbles/Blistering

Ähnlich wie bei der Brückenbildung entstehen Blasen an der Oberfläche während des Verflüssigens. Größere Blasen bleiben möglicherweise während der Entfernung des Lösungsmittels bestehen und härten aus. Typischerweise sind diese an breiten, flachen Oberflächen und scharfen inneren Spalten zu finden.
CAD-Konstrukteure sollten deshalb breite, ebene Flächen vermeiden; organisch geformte Flächen sind weniger anfällig für eine Blasenbildung. Radien an Innenecken helfen ebenfalls, Blasen und andere Defekte zu verringern.

Bites

Während des Dampfglättungsprozesses werden die Bauteile mit Hilfe von Haken oder Klammern aufgehängt. Haken hinterlassen nur minimale Abdrücke auf der Innenseite der Aufhängungsöffnung. „Bissspuren“ hingegen entstehen durch die Abdrücke von Klammern. Solche Abdrücke sind bei weicheren Materialien wie TPU stärker ausgeprägt. Ein Loch zum Einhaken und Einspannen des Teils sollte im Pre-Processing mit eingeplant werden.

Edge Pooling

Abrupte Drehungen an flachen Seiten von Teilen können zu einer sichtbaren Beule an der Kante führen. Die Unebenheiten entstehen, wenn das verflüssigte Material durch die Schwerkraft zur Kante wandert und dort erstarrt. Kantenabrundung und Pooling können die Toleranzen beeinträchtigen. Radien an scharfen Kanten von Features mit flachen Seiten helfen, eine Ansammlung von flüssigem Material zu minimieren.

Fleckenbildung

Auf der Oberfläche heller Materialien erscheinen nach dem Prozess winzige dunkle Flecken. Diese Sprenkelung ist in der Regel bei natürlichen Oberflächen sowie bei Oberflächen in helleren Farben stärker ausgeprägt. Es besteht die Möglichkeit, die Materialien in dunkleren Farben wie Schwarz, Grün oder Blau einzufärben, besser ist es jedoch das Material gleich so auszuwählen. Die dunklen Flecken sind so weniger sichtbar.

Löcher

Auf sehr dünnen Flächen können unbeabsichtigt Löcher entstehen. Diese entstehen, wenn sich die Oberfläche auf jeder Seite der dünnen Wand so weit verflüssigt hat, dass die Mitte vollständig flüssig ist und sich ein Loch bildet, wenn das Material wieder aushärtet. Daher sollte man auf eine Wandstärke von mindestens 1 mm achten. Diese Mindestwandstärke wird generell für die meisten additiven Verfahren empfohlen und hilft auch, andere Probleme zu vermeiden.

Unvollständige Eigenschaften

Beim Dampfglätten können auskragende oder lange dünne Vorsprünge verkürzt oder unvollständig geformt werden. Dies geschieht, weil sich die Spitzen verflüssigen, bewegen und wieder verfestigen, sobald das Lösungsmittel verdampft. Daher sollte man bei der Gestaltung Merkmale, wie scharfe Spitzen oder Messerkanten, mit einer Wandstärke von weniger als 1 mm vermeiden.

Vom Autor Nico Mroncz sind bei additive – die Plattform für die additive Fertigung erschienen:

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