Obwohl beim 3D-Druck ziemlich detaillierte Modelle entstehen, die fast identisch mit dem CAD-Bild aussehen, sind die Maßgenauigkeit und die Toleranzen nicht vollkommen identisch. Dies ist eine sogenannte Schrumpfung, die bei 3D-Drucken auftritt und die Sie wahrscheinlich gar nicht bemerken.

Ich habe darüber nachgedacht, wie viel Schrumpfung bei 3D-Drucken auftritt. Das ist eine ideale Frage für alle, die funktionale Objekte herstellen wollen, die enge Toleranzen erfordern, also beschloss ich, das herauszufinden und mit euch zu teilen.

In diesem Artikel erfahren Sie, was Schrumpfung ist, um wie viel Ihre 3D-Drucke wahrscheinlich schrumpfen und wie Sie die Schrumpfung am besten kompensieren können.

Was ist Schrumpfung im 3D-Druck?

Unter Schrumpfung versteht man beim 3D-Druck die Verkleinerung des endgültigen Modells aufgrund von Temperaturänderungen zwischen dem geschmolzenen Thermoplast und den abgekühlten extrudierten Materialschichten.

Während des Drucks schmilzt der Extruder das Filament, um das 3D-Modell zu erstellen, und das Material dehnt sich während dieses Prozesses aus. Wenn die Schichten direkt nach dem Extrudieren abkühlen, nimmt die Dichte des Materials zu, während es sich gleichzeitig verkleinert.

Die meisten Menschen werden dies erst bemerken, wenn sie ein Modell haben, das etwas mehr Maßgenauigkeit erfordert.

Beim Druck von ästhetischen Modellen wie Kunstwerken, Vasen und Spielzeug stellt die Schrumpfung kein Problem dar. Wenn wir jedoch zu Objekten mit engen Toleranzen übergehen, wie z. B. einem Handygehäuse oder einer Halterung, die Objekte miteinander verbindet, wird die Schrumpfung zu einem Problem, das es zu lösen gilt.

Sie tritt bei fast jedem 3D-Druckverfahren aufgrund der damit verbundenen Temperaturschwankungen auf, doch die Geschwindigkeit, mit der sie auftritt, hängt von einigen Faktoren ab.

Diese Faktoren sind das verwendete Material, die Temperatur, die Drucktechnologie und die Aushärtungszeit für Harzdrucke.

Von all diesen Faktoren ist der vielleicht wichtigste Faktor, der die Schrumpfung beeinflusst, das verwendete Material.

Die Art des verwendeten Materials hat Einfluss darauf, wie stark das Modell schrumpfen wird.

Auch die Drucktemperatur und die Abkühlungsgeschwindigkeit sind wichtige Faktoren: Wird das Modell bei einer hohen Temperatur gedruckt oder zu schnell abgekühlt, kann es zu einer Schrumpfung kommen, was bedeutet, dass Kunststoffe mit höheren Temperaturen eher schrumpfen.

Schnelles, ungleichmäßiges Abkühlen kann sogar zu Verformungen führen, die das Modell beschädigen oder den Druck ganz ruinieren können. Die meisten von uns haben diese Verformungen schon erlebt, sei es durch Zugluft oder einfach durch einen sehr kalten Raum.

Etwas, das mir beim Verziehen geholfen hat und das ich kürzlich eingeführt habe, ist die Verwendung einer HAWKUNG-Heizbett-Isoliermatte unter meinem Ender 3. Sie hilft nicht nur beim Verziehen, sondern beschleunigt auch die Aufheizzeiten und sorgt für eine gleichmäßigere Betttemperatur.

Schließlich bestimmt auch die Art der verwendeten Drucktechnologie das Ausmaß der Schrumpfung des Modells: Mit billigeren Technologien wie FDM lassen sich in der Regel keine hochwertigen Teile mit engen Toleranzen herstellen.

SLS- und Metallspritztechnologien rechtfertigen ihren hohen Preis durch die Herstellung präziser Modelle.

Glücklicherweise gibt es viele Möglichkeiten, die Schrumpfung zu berücksichtigen, so dass wir ohne großen Aufwand maßgenaue Teile herstellen können, allerdings muss man die richtigen Techniken kennen.

Wie stark schrumpfen ABS-, PLA- & PETG-Drucke?

Wie bereits erwähnt, hängt die Schrumpfungsrate stark von der Art des verwendeten Materials ab. Sie ist von Material zu Material unterschiedlich. Schauen wir uns drei der am häufigsten verwendeten 3D-Druckmaterialien an und wie sie sich gegenüber Schrumpfung verhalten:

PLA

PLA ist ein organisches, biologisch abbaubares Material, das auch in FDM-Druckern verwendet wird. Es ist eines der beliebtesten Materialien für den 3D-Druck, da es leicht zu drucken und ungiftig ist.

PLA hat eine geringe Schrumpfung, die zwischen 0,2 % und 3 % liegt, da es sich um einen Thermoplasten mit niedrigeren Temperaturen handelt.

PLA-Filamente brauchen keine hohen Temperaturen, um extrudiert zu werden. Die Drucktemperatur liegt bei etwa 190℃ und ist damit niedriger als die von ABS.

Die Schrumpfung von PLA lässt sich auch dadurch verringern, dass man in einer geschlossenen Umgebung druckt oder das Modell einfach vergrößert, um die Schrumpfung auszugleichen.

Das funktioniert, weil es die schnellen Temperaturschwankungen reduziert und die physische Belastung des Modells verringert.

Ich denke, dass diese Schrumpfungsraten von der Marke und dem Herstellungsprozess und sogar von der Farbe des Filaments selbst abhängen. Einige Leute haben festgestellt, dass dunklere Farben dazu neigen, mehr zu schrumpfen als hellere Farben.

ABS

ABS ist ein auf Erdöl basierendes Druckmaterial, das in FDM-Druckern verwendet wird. Es wird wegen seiner hohen Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Vielseitigkeit häufig eingesetzt. Es findet sich in allen möglichen Produkten, von Handyhüllen bis hin zu Legos.

ABS hat eine wirklich hohe Schrumpfungsrate. Wenn Sie also maßgenaue 3D-Drucke benötigen, würde ich versuchen, dieses Material zu vermeiden. Ich habe gesehen, dass die Schrumpfungsraten zwischen 0,8 und 8 % liegen.

Ich bin mir sicher, dass es sich hier um Extremfälle handelt, die man mit der richtigen Einrichtung reduzieren könnte, aber es ist ein gutes Beispiel dafür, wie schlimm die Schrumpfung wirklich werden kann.

Eine der wichtigsten Möglichkeiten zur Verringerung der Schrumpfung besteht darin, mit den richtigen Temperaturen im Heizbett zu drucken.

Die Verwendung eines korrekt kalibrierten Heizbetts hilft bei der Haftung der ersten Schicht und verhindert außerdem, dass die untere Schicht schneller abkühlt als der Rest des Drucks, um Verformungen zu vermeiden.

Ein weiterer Tipp zur Verringerung der Schrumpfung ist der Druck in einer geschlossenen Kammer. Dadurch wird der 3D-Druck von den Außenluftströmen isoliert und kühlt nicht ungleichmäßig ab.

Die geschlossene Kammer hält den Druck bis zum Abschluss des Druckvorgangs auf einer konstanten Temperatur nahe der Kunststofftemperatur, und alle Abschnitte können mit der gleichen Geschwindigkeit abkühlen.

Ein großartiges Gehäuse, das bereits von Tausenden von Menschen genutzt wird, ist das Creality Fireproof & Dustproof Enclosure von Amazon. Es hält eine konstante Temperaturumgebung und ist sehr einfach zu installieren & warten.

Darüber hinaus bietet es mehr Sicherheit in Bezug auf Brände, verringert die Geräuschemissionen und schützt vor Staubbildung.

PETG

PETG ist aufgrund seiner phänomenalen Eigenschaften ein weiteres weit verbreitetes 3D-Druckmaterial, das die strukturelle Stärke und Zähigkeit von ABS mit der einfachen Druckbarkeit und Ungiftigkeit von PLA kombiniert.

Dadurch eignet es sich für viele Anwendungen, die eine hohe Festigkeit und Materialsicherheit erfordern.

PETG-Filamente haben mit 0,8 % die geringste Schrumpfungsrate. 3D-Modelle aus PETG sind im Vergleich zu anderen relativ formstabil. Sie eignen sich daher ideal für funktionale Drucke, die einigermaßen strenge Toleranzen einhalten müssen.

Um die Schrumpfung bei PETG-Drucken auszugleichen oder zu verringern, kann das Modell vor dem Druck um den Faktor 0,8% vergrößert werden.

Wie man beim 3D-Druck die richtige Schwundkompensation erhält

Wie wir oben gesehen haben, kann die Schrumpfung auf verschiedene Weise reduziert werden. Aber egal, wie viel man tut, die Schrumpfung kann nicht eliminiert werden. Deshalb ist es eine gute Praxis, die Schrumpfung bei der Vorbereitung des Modells für den Druck zu berücksichtigen.

Die richtige Schrumpfungskompensation hilft dabei, die Verkleinerung der Modelle zu berücksichtigen. Einige Drucksoftwares verfügen über Voreinstellungen, die dies automatisch für Sie erledigen, aber in den meisten Fällen muss dies manuell durchgeführt werden.

Die Berechnung der Art des Schrumpfungsausgleichs hängt von drei Faktoren ab: dem verwendeten Material, der Drucktemperatur und der Geometrie des Modells.

Alle diese Faktoren zusammen ergeben eine Vorstellung davon, wie stark der Druck voraussichtlich schrumpfen wird und wie man dies ausgleichen kann.

Die richtige Schrumpfung zu finden, kann auch ein iterativer Prozess sein, auch bekannt als einfaches Ausprobieren. Die Schrumpfungsrate kann sogar bei verschiedenen Marken derselben Materialart variieren.

Eine gute Möglichkeit, die Schrumpfung zu messen und zu quantifizieren, besteht also darin, zunächst ein Testmodell zu drucken und die Schrumpfung zu messen. Die erhaltenen Daten können dann verwendet werden, um einen mathematisch fundierten Schrumpfungsausgleich zu erstellen.

Eine großartige Möglichkeit, die Schrumpfung zu messen, ist dieses Schrumpfungsberechnungsobjekt von Thingiverse. Ein Benutzer beschrieb es als "eines der besten allgemeinen Kalibrierungswerkzeuge überhaupt". Viele andere Benutzer teilen ihren Dank mit dem Hersteller dieses CAD-Modells.

Die Schritte sind wie folgt:

• Drucken Sie das Testteil mit dem Filament Ihrer Wahl und den Slicer-Einstellungen, die Sie verwenden möchten.
• Messen Sie die Werte und geben Sie sie in das Arbeitsblatt ein (mein Arbeitsblatt ist freigegeben unter //docs.google.com/spreadsheets/d/14Nqzy8B2T4-O4q95d4unt6nQt4gQbnZm_qMQ-7PzV_I/edit?usp=sharing).
• Slicer-Einstellungen aktualisieren

Sie möchten dieses Google Sheet verwenden und eine neue Kopie erstellen, die Sie dann selbst bearbeiten können. Die Anleitung dazu finden Sie auf der Thingiverse-Seite.

Wenn Sie eine wirklich genaue Kompensation wünschen, können Sie die Iteration zweimal durchführen, aber der Hersteller sagt, dass nur eine Iteration ausreicht, um eine Toleranz von 100 um (0,01 mm) bei einem 150 mm langen Teil zu erreichen.

Ein Benutzer sagte, er skaliere seine Modelle einfach auf 101 %, und das funktioniere bei ihm ziemlich gut. Das ist eine wirklich einfache Sichtweise, die aber für schnelle Ergebnisse erfolgreich sein kann.

Sie können auch eine Einstellung namens horizontale Ausdehnung verwenden, die die Größe Ihrer 3D-Drucke in der X/Y-Dimension anpasst, um Größenänderungen auszugleichen, wenn das Modell abkühlt und schrumpft.

Wenn Sie die Modelle selbst erstellen, können Sie die Toleranzen am Modell selbst anpassen, und mit etwas Übung werden Sie in der Lage sein, die korrekten Toleranzen für Ihren spezifischen Entwurf zu erraten.