Was hat mehr Stabilität bei 3D-Druck-Teilen, Kunstharz oder PET? Ein erster Kurzversuch spricht für PET. Der Beitrag zeigt die Versuchsbedingungen und die Ergebnisse für den Bruchtest 3D Druck.
Danke an Klaus Clever für den Druck der Resin-Testlinge.
30.06.2023
Ausgangslage und Problemstellung
Im Projekt Biene40 (http://bieneviernull.de) werden dünne Gehäuse(*) mit sehr dünnen Wandungen benötigt. Die Stabilität von Teilen aus 3D-Druckern, die mit Filament arbeiten, kann erst ab gewissen Materialdicken erreicht werden. Auch komplexere Drucke (mit integrierten Halterungen für Lithiumzellen) sind mit Filamentdruckern nur mit Zusatzaufwand zu realisieren.
Das führt zur Idee, solche Bauteile in alternativ in Resin auszuführen. Das Verfahren lässt auch Bauteile mit „Überhängen“ und „Balkonen“ zu. Allerdings soll im Vorfeld geklärt werden, ob die Stabilität vergleichbar ist.
Insbesondere aufgrund der (erwarteten) Anisotropie der Filamentdrucke starten wir mit zwei Vermutungen, die durch eine kleine Messreihe geklärt werden sollen.
Vermutung 1: Resin erweist sich in einem Biege- und Bruchversuch als stabiler als z.B. PET.
Vermutung 2: Strukturen, die flach gedruckt sind, haben eine höhere Stabilität als Strukturen, die hochkant gedruckt sind.
(*) Grund für dünne Gehäuse ist der sogenannte beespace. Bei einem „magischen“ Abstand von 7 mm verbauen Bienen Zwischenräume weniger. Daher ist in Bienenstöcken der Platz für z.B. Sensoren in einer Dimension auf 7 mm begrenzt.
Untersuchungsdesign
Testlinge mit festgelegten Eigenschaften (50mm lang, 10mm breit, 5mm hoch) werden in Resin und in PET gedruckt und Biegeversuchen unterworfen (Abb.1) .
Der Aufbau für den Biegeversuch ist wie folgt:
Der Probenaufnehmer besteht aus einem U-förmigen Konstrukt. Die Schenkel des U haben einen Innenabstand von 40 mm. Die Proben können auf die U-Schenkel gelegt werden, sie haben auf beiden Seiten eine Auflage von initial 5 mm (Abb. 2).
Ein Drahthaken ermöglicht es, einen Eimer mittig an einem Testling so zu befestigen, dass eine Zugkraft mittig auf den Testling ausgeübt wird und diesen durchbiegt (Abb. 3).
Der Eimer wird suhzessive mit Wasser gefüllt, was die Zugkraft erhöht. Die Durchbiegung wird mit einer Schieblehre gemessen. Der Abstand der Oberkante des Testlings zum unteren Querbalken des U wird gemessen und gegen das Gewicht (Eimer plus Haken plus Wasserfüllung) aufgetragen (Abb. 4).
Das hier eingesetzte Untersuchungsdesign ähnelt dem in der Literatur beschriebenem Dreipunktbiegeversuch.
Abb. 1: Die Testlinge (gedruckte Rechteckleisten 10mm x 5 mm in 50 mm Länge) von links nach rechts: Resin, PET als aufrechte Säule gedruckt, PET als Hochkant-Balken gedruckt, PET als flachen Balken gedruckt.
Abb. 2: Der Probenaufnehmer bildet eine U-förmige Struktur durch ein Fichtenbrett als Basis und zwei aufgeleimten Buchen-Rechteck-Leisten als Schenkel. Durch den gesägten Schlitz wird der Drahthaken geführt.
Abb. 3: Der Drahthaken überträgt das Gewicht des Wassereimers als Kraft auf den jeweiligen Testling.
Abb. 4: Der gesamte Aufbau mit Probenaufnehmer, Testling, Haken und Eimer als „Kraftquelle“
Messungen
Eimer und Haken wiegen 0,55 kg.
Es wird Wasser in 1 Liter-Schritten eingefüllt. Das Gesamtgewicht ist in der ersten Spalte aufgetragen (Tab. 1), der Abstand in der zweiten Spalte für Resin und in der dritten Spalte für PET. Nach einer Befüllung mit 6 Litern (entspricht einem Gewicht von 6.55 kg) wurde bei jedem Testling eine Pause eingelegt (5 Minuten) und wiederholt gemessen, um Wanderungseffekte zu erkennen.
Gewicht Resin. PET flach kg mm mm leer 24,8. 24,8 0,55. 24,4. 24,65 1,55. 24,2. 24,5 2,55. 23,9. 24,45 3,55. 23,45 24,5 4,55. 23,05. 24,5 5,55. 22,9. 24,2 6,55. 22,1. 24,2 Warten 3 Minuten 6,55. 21,1. 24,3
Tab. 1: Gegenüberstellung der Durchbiegung Resin vs. PET-Filament flach gedruckt. Dir Durchbiegung ist bei Resin größer als bei PET-Filament.
Nach der zweiten Messung wurde die Testlinge jeweils entlastet, um zu sehen, ob sie plastisch verformt sind oder elastisch in die frühere Form zurückgehen.
Dabei wird beobachtet:
- Resin geht auf 23,9 zurück (bleibt also etwas verformt)
- PET geht auf 24,5 zurück, nach einer längeren Dauer reversibel wieder auf 24,8.
Bruch Resin: Eine Fortsetzung der Belastung war nicht zu gleichen Bedingungen möglich. Nach dem Einsetzen des Resin Testlings und nach wenigen Minuten brach dieser bei einer Belastung von 6,55 Kg.
Durchbiegung PET: Der PET Testling wurde mit 12,55 kg beaufschlagt, zeigte eine Durchbiegung von 22,7, die sich auch im Laufe einer Stunde Belastung nicht veränderte.
Durchbiegung PET Variante: Ein weiterer PET-Testling (hochkant gedruckt) wurde nur für einen längeren Zeitraum mit 12,55 kg belastet, er zeigte ein Nachgeben auf zunächst 23,8 und nach einer halben Stunde auf 23,1
Bruch PET: Erst bei einer Belastung von über 30 kg (gemessen mit einer Kofferwaage) zerbracht der zweite PET Testling.
Interpretation
Vermutung 1 wird nicht bestätigt. Insgesamt scheinen PET-Filament-Drucke deutlich stabiler als Resin Drucke.
Vermutung 2 wird ebenfalls nicht bestätigt. Die vermutete Anisotropie ließ sich hier nicht nachweisen. Man kann also in der Orientierung drucken, wie es „passt“, und muss nicht auf unterschiedliche Stabilitäten Rücksicht nehmen.
Quellen