Warum die Druckrichtung über die Festigkeit entscheidet

Die kurze Antwort

Ein gedrucktes Teil ist kein Block aus Kunststoff, sondern ein Stapel verschweißter Bahnen. Diese Schweißnähte sind schwächer als das Material selbst. Die Hauptlast soll deshalb längs der Schichten laufen und nicht quer dazu.

Interessant ist dabei weniger, wie viel Festigkeit verloren geht. Interessant ist, dass die Dehnbarkeit fast vollständig verschwindet. Ein quer belastetes Teil bricht nicht schwächer, es bricht plötzlich.

Was zwischen zwei Schichten passiert

Wenn die Düse eine Bahn auf die vorige legt, verbinden sich beide in drei Schritten. Zuerst berühren sich die Oberflächen, dann zieht die Oberflächenspannung sie zu einem gemeinsamen Hals zusammen, und zuletzt wandern Molekülketten von der einen Seite in die andere und verschlaufen sich dort. Erst dieser dritte Schritt macht aus zwei Bahnen ein Bauteil.

Der Haken ist der Zeitfaktor. Die Ketten können nur wandern, solange das Material warm genug ist. Kühlt die Bahn in Richtung ihrer Glasübergangstemperatur ab, wird die Diffusion langsamer und hört schließlich auf. Die Verbindung ist dann so fest, wie sie in diesem Zeitfenster geworden ist, und nicht fester.

Daraus folgt einiges, was in der Werkstatt zählt: Eine wärmere Umgebung, eine höhere Düsentemperatur und eine kürzere Zeit zwischen zwei Schichten verbessern die Verbindung. Ein hoher Lüfter und ein großes, langsam umlaufendes Teil verschlechtern sie. Deshalb drucke ich technische Kunststoffe in einer geschlossenen, beheizten Kammer.

Wie groß der Unterschied ist

Die folgenden Werte stammen aus den Datenblättern eines Herstellers und wurden nach ISO 527 an gedruckten Probekörpern gemessen. „X-Y“ heißt liegend gedruckt, die Last läuft längs der Schichten. „Z“ heißt stehend gedruckt, die Last zieht quer über die Schichtgrenzen.

Die Spalte rechts ist der eigentliche Befund. Bei der Zugfestigkeit bleiben stehend gedruckt noch 89 beziehungsweise 73 Prozent übrig, das klingt verkraftbar. Bei der Bruchdehnung sind es 17 und 25 Prozent. Das Teil verliert also weniger an Kraft als an Vorwarnung.

Praktisch heißt das: Ein liegend gedrucktes ABS-Teil biegt sich sichtbar, bevor es bricht. Dasselbe Teil stehend gedruckt gibt fast nicht nach und reißt dann auf einmal durch. Für ein Bauteil, das jemand in der Hand hält oder das in einer Maschine sitzt, ist das der gefährlichere Fall.

Was die Literatur dazu sagt

Eine Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2022, die zahlreiche Einzeluntersuchungen zusammenträgt, hält fest, dass die Bauteillage die mechanischen Eigenschaften erheblich beeinflusst und dabei gegenüber anderen Parametern in der Regel die Hauptrolle spielt. Sie nennt als Größenordnung, dass Proben quer zu den Schichten weniger als 80 Prozent der Festigkeit von Proben längs der Schichten erreichen.

Für Polycarbonat führt dieselbe Arbeit eine Untersuchung an, in der sich je nach Lage der Elastizitätsmodul um 45 Prozent und die Zugfestigkeit um 30 bis 60 Prozent verringerte. Die Spanne zeigt, wie stark der Effekt vom Werkstoff und von der Geometrie abhängt. Eine feste Zahl für alle Fälle gibt es nicht.

Auch innerhalb einer Schicht

Nicht nur die Lage im Bauraum zählt, sondern auch die Richtung, in der die Bahnen innerhalb einer Schicht laufen. Eine Untersuchung von 2024 hat das an PLA, ABS+ und einem flexiblen Werkstoff bei vier Bahnwinkeln gemessen. Bei ABS+ reichten die Werte von 37,98 MPa bei 15 Grad bis 34,45 MPa bei 90 Grad. Das sind rund neun Prozent Unterschied, allein durch den Winkel der Bahnen zur Zugrichtung.

Neun Prozent sind weniger als der Unterschied zwischen liegend und stehend, aber sie sind messbar. Wenn eine Bahn längs der Zugrichtung liegt, trägt der Kunststoff selbst. Läuft sie quer dazu, tragen wieder die Verbindungen zwischen den Bahnen.

Was das für Ihr Bauteil heißt

Die erste Frage ist immer: In welche Richtung wird das Teil im Betrieb belastet? Bei einem Haken ist es die Zugrichtung, bei einer Lasche die Biegung, bei einem Lagerbock der Druck von oben und das Kippmoment. Danach richtet sich die Lage im Bauraum.

Drei Fälle laufen erfahrungsgemäß schief, wenn niemand darauf achtet. Ein Gewinde oder ein Einpressdom, der stehend gedruckt wird, reißt entlang einer Schichtgrenze aus. Ein Schnapphaken, dessen Federzunge quer zu den Schichten liegt, bricht beim ersten Einrasten statt zu federn. Und eine dünne Lasche, die auf Biegung arbeitet, hält nur, wenn die Schichten längs der Lasche laufen.

Die Lage ist allerdings keine freie Wahl. Sie bestimmt auch, wie viel Stützmaterial nötig ist, wie die Oberfläche wird, wie lange der Druck dauert und was er kostet. Ein Teil so zu legen, dass die Festigkeit stimmt, kann die Druckzeit verdoppeln. Das ist eine Abwägung und keine Regel.

Was ich beim Konstruieren daraus mache

Die Entscheidung über die Druckrichtung gehört in die Konstruktion und nicht in den Slicer. Wenn ich weiß, wie ein Teil belastet wird, entwerfe ich es so, dass sich die günstige Lage überhaupt drucken lässt: Überhänge werden vermieden, Radien wandern an die Stellen, wo die Schichten sonst aufreißen würden, und tragende Querschnitte werden dorthin gelegt, wo die Bahnen längs laufen.

Manchmal ist die richtige Antwort, ein Teil zu teilen. Zwei Hälften, jede in ihrer günstigen Lage gedruckt und anschließend gefügt, halten mehr aus als ein Stück in einer ungünstigen Lage. Das kostet einen Arbeitsschritt und bringt eine Fügestelle mit sich, die man konstruktiv einplanen muss.

Wenn Sie mir ein Teil schicken, ist das die Frage, die ich als erste stelle: Woher kommt die Last? Alles andere ergibt sich daraus.

Was die Zahlen nicht sagen

Die Werte oben stammen von genormten Probekörpern mit hundert Prozent Füllung. Ihr Bauteil hat Wandstärken, Bohrungen und eine Füllung darunter. Die Zahlen zeigen die Größenordnung des Effekts, sie sind keine Auslegungswerte.

Und sie gelten je für ein Produkt, nicht für einen Werkstoff. Wie stark der Unterschied zwischen zwei Filamenten derselben Klasse ausfallen kann, steht im Beitrag zu ABS, ASA und Polyamid.

Quellen

Jede Zahl in diesem Beitrag ist nachprüfbar. Was ich nicht belegen kann, steht als solches gekennzeichnet.

• Gao, Xu, Xu, Tang, Liu: A Survey of the Influence of Process Parameters on Mechanical Properties of Fused Deposition Modeling Parts, Micromachines 13 (2022), Nr. 553, DOI 10.3390/mi13040553.
  Begutachtete Übersichtsarbeit, frei zugänglich. Quelle für die Aussage, dass die Bauteillage in der Regel den größten Einfluss hat, für die Angabe von weniger als 80 Prozent quer zu den Schichten und für die Werte zu Polycarbonat.
• Acierno, Patti: Fused Deposition Modelling of Thermoplastic-Based Filaments: Process and Rheological Properties, Materials 16 (2023), Nr. 7664, DOI 10.3390/ma16247664.
  Begutachtete Übersicht, frei zugänglich. Quelle für die drei Stufen der Schichtverbindung und dafür, dass die Diffusion mit dem Abkühlen zur Glasübergangstemperatur hin aufhört.
• Dziewit, Rajkowski, Płatek: Effects of Building Orientation and Raster Angle on the Mechanical Properties of Selected Materials Used in FFF Techniques, Materials 17 (2024), Nr. 6076, DOI 10.3390/ma17246076.
  Begutachtete Untersuchung, frei zugänglich. Quelle für die Werte zum Bahnwinkel bei ABS+, 37,98 bis 34,45 MPa.
• Technisches Datenblatt PolyLite ABS und Datenblatt Polymaker ASA, Polymaker.
  Herstellerangaben nach ISO 527 mit getrennten Werten für X-Y und Z. Quelle für die Tabelle.

Nicht durch eine Quelle belegt sind die drei Beispiele für Konstruktionsfehler und der Abschnitt zum Konstruieren. Beides gibt meine eigene Praxis wieder. Die Prozentangaben in der Spalte „Rest“ habe ich aus den Datenblattwerten selbst gerechnet.