Hoe anisotropie het printproces beïnvloedt

Als ontwerper wil je kunnen bepalen wat de sterkte is van je onderdeel. Het funvctioneel toepassen van FDM geprinte onderdelen brengt een aantal aandachtspuntjes met zich mee. In welke printoriëntatie je onderdeel geprint wordt heeft invloed op de uiteindelijke sterkte. Dit heeft onder andere te maken dat FDM geprinte onderdelen anisotropische eigeenschappen vertonen. In deze blog kan je lezen hoe de sterkte van een FDM geprint onderdeel bepaald wordt. Laten we daarvoor het printproces eens bekijken.

Invloed van het printproces

 Voor we gaan bekijken hoe FDM geprinte onderdelen reageren wanneer deze onder belasting komen, bekijken we eerst het printproces en hoe dit invloed heeft op de sterkte van een onderdeel. Het is de bedoeling dat je strategisch nadenkt in welke oriëntatie je onderdeel het beste geprint kan worden, als het om een functionele toepassing gaat. In het besturingsprogramma van de 3D printer sta je vrij om te bepalen in welke oriëntatie je onderdeel geprint wordt. Kijk maar eens naar onderstaande afbeelding: je kan het onderdeel rechtop of plat printen.

Tijdens het printproces wordt een onderdeel laag voor laag opgebouwd. Het effect hiervan is dat de vezelrichting bij beide oriëntaties anders ligt. De vezelrichting ligt in normale omstandigheden altijd in het 0°, 90° of het 45° vlak. Je kunt aan een onderdeel vaak al zien hoe de vezelrichting ligt, door te kijken naar hoe de lijntjes lopen op een onderdeel. Kijk maar eens naar onderstaande afbeelding.

20210301_195723

Anisotropie

De vezelrichting kan dus verschillend liggen en dit komt door de gekozen printoriëntatie. Wat gebeurt er dan precies als een onderdeel belast wordt in de richting van de vezels of er juist haaks op? Laten we de situatie zoals op Afbeelding 3 als voorbeeld nemen. Bij het linkerblokje ligt de vezelrichting horizontaal in het X-Y vlak en bij het rechterblokje ligt de vezelrichting verticaal in het Z-vlak. Beide blokjes worden door een trekkracht T belast. Uit resultaten van een trekproef zal naar voren komen dat de rechtersituatie onderhevig aan een trekbelasting sterker is dan de linker.

Afbeelding 3: treksituatie

Dat een onderdeel niet in alle richtingen gelijke eigenschappen vertoont, wordt ook wel anisotropie genoemd. Wanneer de eigenschappen in alle richtingen wel gelijk zijn, wordt het isotroop genoemd. Waarom FDM printen anisotropische onderdelen creërt, heeft met name te maken met de binding tussen de lagen. De ideale situatie van een laaghechting is het groene gebied in afbeelding 4. Helaas is dit in de praktijk niet altijd zo. De

lagen kunnen door de haaksheid van het printbed ten opzichte van de printkop in hoogte verschillen en hierdoor krijg je geen optimale laaghechting. Het is hierom lastig om het mechanisch gedrag van een FDM geprint onderdeel te bepalen. SLA geprinte onderdelen vertonen daarentegen wél isotropische eigenschappen, doordat de mogelijkheid er is om een onderdeel na het printen te ‘curen’ , een proces waarbij de lagen nabewerkt worden. 

Afbeelding 4: laaghechting

Datasheets

Op een datasheet zal je nog wel eens tegenkomen dat de mechanische eigenschappen gegeven worden in het XY- en Z-vlak. Als het goed is kan je na het lezen van de vorige paragrafen de link leggen tussen de vezelrichting en de soort belasting die optreedt. Belastingen zijn er in verschillende vormen, denk aan: trek, druk, buiging enz. Tijdens het ontwerpen van een 3D geprint onderdeel is het van belang om te kijken naar onderstaande vragen voordat er geproduceerd gaat worden: 

– Welke belasting treedt er op?
– Hoe groot is deze belasting?
– In welke richting is deze belasting?
– Op welke temperatuur wordt het onderdeel belast?
– Hoe dient de printoriëntatie van het onderdeel te zijn? 

Hoe en waarom de temperatuur invloed op de sterkte heeft, wordt in deze blog uitgelegd. Kort samengevat: de gegevens die in de datasheet van een materiaal verschaft worden zijn getest op kamertemperatuur. Wordt je onderdeel op een hoge temperatuur mechanisch belast, dan is het aangeraden om een proef uit te voeren waarbij het onderdeel belast wordt op de desbetreffende temperatuur.

Conclusie

Ook hierbij geldt weer: ontwerp slim zodat je naderhand niet tegen problemen aanloopt.  Heb je een onderdeel met de vezelrichting in het horizontale vlak geprint en geconcludeerd dat het niet sterk genoeg is? Probeer simpelweg eens de printoriëntatie te veranderen en test het nog eens. Je zult in iedergeval niet meer versteld staan als je op een datasheet informatie ziet staan over de mechanische eigenschappen in de XY of Z vlak. 

Scroll naar top