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Dampfglättung: Ein effektives Oberflächenveredelungs-verfahren im 3D-Druck

Mit der Fähigkeit, raue oder geschichtete Oberflächen mit einer glatten, professionellen Oberflächenveredelung zu versehen, ist das Dampfglätten ein bahnbrechendes Nachbearbeitungsverfahren im Bereich des 3D-Druck. Dieser Artikel befasst sich mit den Besonderheiten, den Vorteilen und den Anwendungsgebieten dieses Verfahrens.

Mit der wachsenden Nachfrage für 3D-gedruckte Teile ist eine qualitativ hochwertige Oberflächenveredelung unerlässlich geworden. Somit steigt auch die Wichtigkeit der Nachbearbeitungsverfahren für 3D-gedruckte Teile, da sie sowohl ästhetische als auch mechanische Eigenschaften verbessern. Mit der Lösung des weitverbreiteten Problems der sichtbaren Schichtlinien und rauen Oberflächen auf 3D-Drucken ist die Dampfglättung eine effektive Option für professionell und hochwertig wirkende Ergebnisse.

Was ist das Dampfglätten im 3D-Druck?

Das Dampfglätten ist ein Veredelungsverfahren für 3D-Drucke, in dem die gedruckten Teile einem verdampften Lösemittel ausgesetzt werden. Der Prozess ist auch als „chemisches Dampfglätten“, „Dampfpolitur“ und „Dampfschmelzen“ bekannt, und hilft insbesondere dabei, die würfelzuckerartigen Oberflächen und unansehnlichen Schichtlinien zu beseitigen, die ansonsten mit dem 3D-Druck assoziiert werden. 

Die verwendeten chemischen Dämpfe reagieren dabei mit der Oberfläche des Materials, wodurch es schmilzt und sich teilweise auflöst, und dadurch eine glattere Oberfläche erzeugt. Mit diesem Verfahren können 3D-gedruckte Teile eine glatte und glänzende Oberfläche erhalten, die deutlich professioneller aussieht.

Das Dampfglätten kann deshalb als eine hervorragende Veredelungsoption gesehen werden, die merklich die Wertigkeit des 3D-Drucks erhöht. Dieses Verfahren wird häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie und im Automobilbau eingesetzt, wo die Teile so glatt und perfekt wie möglich sein müssen. Sowohl aus Gründen der Ästhetik, als auch für eine optimale Funktion.

A vapour fused PA 12 part printed with MJF
Mit Dampf verschmolzen
https://xometry.eu/wp-content/uploads/2023/06/MJF-PA12-Natural-Side.jpg
Wie gedruckt
Vergleich von MJF PA 12 3D-Drucken: wie gedruckt (links) und dampfgeschmolzen (rechts)

Wie funktioniert das Dampfglätten?

Das Dampfglätten ist eine hocheffiziente und effektive Methode, um eine glatte Oberfläche auf verschiedenen Materialien zu erhalten, ohne dass dafür Material entfernt werden muss. Es nutzt dazu ein Veredelungsmittel in einer kontrollierten chemischen Schmelzreaktion, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten. Das Aufrechterhalten der richtigen Temperatur und die Kontrolle des Drucks während des Prozesses ist dabei essenziell für das Erreichen des Ziels, ohne dass das Werkstück dabei beschädigt wird.

Es folgt ein Schritt-für-Schritt-Leitfaden darüber, wie der vollautomatische Dampfglättungsprozess abläuft:

  • Schritt 1 – Das Werkstück wird in eine abgedichtete Bearbeitungskammer mit einem Veredelungsmittel/Lösemittel, typischerweise FA 326, eingelegt. Das Lösemittel wird üblicherweise bei verschiedenen Kunststoffmaterialien eingesetzt, aber je nach eingesetztem Material können auch andere Mittel verwendet werden.
  • Schritt 2 – Wenn sich das Werkstück in der Glättkammer befindet, wird das Mittel auf eine spezifische Temperatur erhitzt, um einen Dampf zu erzeugen, der das Werkstück umgibt. Das Aufrechterhalten der Temperatur und die Kontrolle des Drucks ist dabei entscheidend dafür, dass sich der Dampf einheitlich über die Oberfläche des Werkstücks verteilt.
  • Schritt 3 Der Dampf haftet an der Oberfläche des Teils und erzeugt eine kontrollierte chemische Schmelzreaktion. Diese Schmelzreaktion reduziert Gipfel und Täler auf der Oberfläche, indem es das Material verflüssigt und umverteilt, wodurch eine glattere Oberfläche erzeugt wird.
  • Schritt 4 – Die chemische Schmelzreaktion erhöht auch den Glanz und Schimmer des Materials. Der Grad, um den sich der Glanz verbessert, hängt von den Prozessparametern und dem verwendeten Lösemittel ab.
  • Schritt 5 – Sobald das Mittel seine Arbeit getan hat, wird die Glättkammer beheizt, um den Dampf und das restliche Lösungsmittel zu entfernen, welches dann in einem Bottich gesammelt werden. Das Werkstück bleibt rückstandsfrei zurück, und es wird kein Material während des Prozesses entfernt.
  • Schritt 6 – Nachdem der Glättungsprozess abgeschlossen ist, kann das Werkstück einem sekundären Prozess wie Färben, Spritzlackieren oder einer anderen Oberflächenbehandlung unterzogen werden.
Illustration des Dampfglättungsprozesses für 3D-Drucke

Verfahren und Arten der für sie verfügbaren Materialien

Das Dampfglätten wird im großen Umfang für verschiedene 3D-Druckverfahren mit Polymeren und Elastomeren eingesetzt. Das Verfahren kann bei einer Vielzahl von 3D-gedruckten Materialien eingesetzt werden. Die am häufigsten verwendeten sind dabei PA 12 und PA 11. Das Veredelungsverfahren der Dampfglättung kann zudem mit dem Färben des Materials kombiniert werden, wodurch es möglich ist, ein eingefärbtes Werkstück mit einer glatten und gleichzeitig farbigen Oberfläche zu erhalten.

Vorteile der Dampfglättung

Der 3D-Druck hat die Fertigung revolutioniert, indem er die Produktion komplexer Teile mit komplizierter Geometrie ermöglicht. Dennoch blieb es eine Herausforderung, die Oberflächenqualität der gedruckten Teile zu verbessern. An dieser Stelle wertet nun das Dampfglätten als Nachbearbeitungsverfahren die Oberflächen 3D-gedruckter Teile signifikant auf. Die wichtigsten Vorteile sind folgende:

Verbesserte Oberflächengüte

Im Vergleich zu typischen SLS-Teilen, die normalerweise eine Oberflächenrauigkeit von mehr als 8 µm Ra haben, kann durch die Dampfpolitur eine Oberflächengüte von unter 3 µm Ra erreicht werden.

Verbesserte Leistung

Eine verbesserte Oberflächengüte wirkt sich erheblich auf die mechanische Leistung eines gedruckten Teils aus. Bei Teilen aus der additiven Fertigung wirkt sich die Rauigkeit der Oberfläche zudem direkt auf die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und die Biegeeigenschaften aus. Während eine schlechte Oberflächengüte zu Spannungskonzentrationen führen kann, die durch eine Verringerung der Ermüdungslebensdauer dafür sorgen können, dass das Teil frühzeitig versagt.

Feuchtigkeitsbeständigkeit

Die glatte Oberflächenveredelung reduziert zudem signifikant die Feuchtigkeitsaufnahme über die Oberfläche des Werkstücks. Diese Feuchtigkeit kann zu einer Verschlechterung des Teils und seiner mechanischen Eigenschaften führen. Durch das Versiegeln der Oberfläche verhindert das Dampfglätten die Aufnahme von Feuchtigkeit und macht das Teil somit haltbarer.

Funktioniert außer Sicht

Einer der wichtigsten Vorteile dieses Verfahren ist jedoch, dass es auch Bereiche glättet, zu denen keine Sichtverbindung besteht. Das Verfahren reicht auch in tiefe Vertiefungen und innere Hohlräume, die für herkömmliche Polier- und Schleifmethoden unerreichbar wären. Somit können auch Teile mit einer komplexen Geometrie eine qualitativ hochwertige Oberflächengüte erhalten.

Maßhaltigkeit

Das Dampfglätten bewahrt die Geometrie und Maße, während es die Oberflächengüte aufwertet. Im Vergleich mit traditionellen Bearbeitungs- oder Schleifprozessen, die die Abmessungen des Teils verformen oder grundsätzlich verändern können, ist das Dampfglätten nicht abrasiv und bewahrt somit die ursprüngliche Form des Werkstücks. Dies ist umso wichtiger für Teile, die eine hohe Präzision und strenge Maßtoleranzen erfordern.

Designtipps für dampfpolierte 3D-Teile

Beim Entwerfen von Teilen, die nach dem Druck dampfpoliert werden sollen, sollten Sie im CAD ein paar Tipps im Hinterkopf behalten. Werfen Sie dazu einen Blick auf diese Richtlinien, um sicherzustellen, dass Ihre Teile am Ende sowohl schön als auch mit einem perfekten Finish  herauskommen.

  • Fügen Sie Kehlen, Kurven, Kanten oder Linien ein, die zwei Flächen verbinden, um eine abgerundete Kante zu erstellen. Dies führt dazu, dass der Glättungsprozess effektiver und gleichmäßiger ablaufen kann.
  • Vermeiden Sie hingegen spitze Ecken und scharfe innenliegende Winkel, da sich in diesen Bereichen Lösungsmittel ansammeln können, die die Wirksamkeit des Glättungsprozesses beeinträchtigen können. 
  • Stellen Sie sicher, dass die Oberfläche vor dem Dampfglätten durch Strahlen und Reinigungsschritte vorbehandelt wurde, damit sich der Dampf möglichst gleichmäßig auf den Oberflächen verteilen kann.
  • Sorgen Sie für eine gleichmäßige Wandstärke, die es dem Dampf erlaubt, die Komponenten gleichmäßig zu durchdringen, was eine glatte Oberflächenstruktur gewährleistet.
  • Entwerfen Sie die Teile mit einer ausreichend großen Masse, damit eine längere Einwirkzeit des Dampfes ermöglicht wird. Zu dünne Abschnitte können Schwierigkeiten damit haben, Wärme zu speichern.
  • Verwenden Sie Stützstrukturen in Bereichen mit komplizierten Elementen, um sicherzustellen, dass sich das Werkstück während des Glättens nicht verzieht.

Infografik: Designtipps für den 3D-Druck
Die Entwurfs- und Designphase eines Teils ist ein wesentlicher Schritt, insbesondere beim 3D-Druck. Deshalb ist es so wichtig, dass Sie bestimmten Richtlinien folgen. Diese Infografik zeigt alle essenziellen Richtlinien für sieben Verfahren auf.

Anwendungsgebiete des Dampfglättens

Das Dampfglätten ist ein robustes Oberflächenveredelungsverfahren, das die Leistung und Ästhetik eines 3D-gedruckten Werkstücks signifikant verbessern kann. Es folgen einige Anwendungsgebiete, in denen das Verfahren eingesetzt werden kann, um überlegene Teile für die Endanwendung zu produzieren:

  • Medizinprodukte: Kundenspezifische Medizinprodukte erfordern hohe Präzision, Haltbarkeit und Biokompatibilität. Das Dampfglätten erlaubt die Herstellung von glatten, porenfreien und leicht zu reinigenden medizinischen Komponenten, die zudem angenehm zu tragen und gleichzeitig schweißbeständig sind.
  • Wearables: Tragbare Technologie ist ein wachsender Markt, der leichte, langlebige und komfortable Komponenten erfordert. Das Dampfglätten 3D-gedruckter Teile kann sowohl hochwertige Ästhetik als auch Tragbarkeit bieten. Mit angenehm weich anzufassenden und dennoch leicht zu reinigenden Oberflächen sowie integrierten Funktionen können kundenspezifische Wearables mit dieser Oberflächenveredelung die strengen Anforderungen dieser Branche erfüllen.
  • Bauteile für den Flüssigkeitstransport: ⁣ Der Transport von Flüssigkeiten und ihre Handhabung erfordern ein hohes Maß an Präzision, einen auslaufsicheren (leckfreien) Betrieb und eine einfache Wartung. Das Dampfglätten kann sowohl Flüssigkeitsbehälter und -reservoirs, Leitungen und Verteiler für den Flüssigkeitstransport als auch Kanäle mit glatten und versiegelten Oberflächen schaffen, die das Wachstum von Bakterien verhindern, und somit ideal für den Hautkontakt und den Kontakt mit Lebensmitteln sind.
  • Automobil- und Maschinenbau:  Das Dampfglätten ist ein ideales Veredelungsverfahren bei Teilen wie Ventildeckel, Ölwannen und anderen Komponenten, die sowohl auslaufsicher als auch korrosionsbeständig sein müssen. Die glatte, taktile und haltbare Oberfläche dieser Teile kann sowohl ihre Ästhetik als auch ihre Funktionalität verbessern.
Im HP MJF 3D-gedruckte Teile, die zu einer Kugel zusammengesetzt wurden. Beide sind schwarz gefärbt, wobei eine Halbkugel dampfgeglättet wurde (rechts), während die andere Halbkugel (links) ein Standardfinish erhalten hat.

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Das Dampfglätten ist ein hocheffektives und effizientes Verfahren für die Oberflächenveredelung von 3D-gedruckten Teilen, das sichtbare Schichtlinien entfernen und die Oberflächenrauigkeit vermindern kann. Mit seiner Fähigkeit, die ursprünglichen Merkmale und Geometrien des Teils beizubehalten, ist es eine hervorragende Lösung für Teile mit komplexen Geometrien, die strenge Maßtoleranzen erfordern.

Xometry bietet Kapazitäten für das Dampfglätten für den 3D-Druck als auch weitere ergänzende Dienste an, die sowohl Ihre Bedürfnisse im Prototyping als auch in der Serienfertigung erfüllen können. Laden Sie Ihre CAD-Dateien hoch und erhalten Sie sofort ein Angebot für Ihre 3D-Drucke.

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