Strakere 3D-prints: Complete stapsgewijze gids voor meer sterkte

Bij het werken met 3D-geprinte onderdelen kom je vaak de uitdaging tegen ze te versterken, lokaal of heel, om de sterkte en duurzaamheid te verbeteren. Het kan gaan om een heel deel of een specifiek gebied dat belast wordt door druk, trek, afschuiving, torsie of buiging.

In dit artikel verkennen we veel methodes om sterker te printen: verbetering in de ontwerpfase, regelen van printtemperatuur en -snelheid, of kiezen van het meest geschikte materiaal. Eerst een overzicht van wat je kunt doen voor sterkere prints.

Voor sterker 3D-geprinte delen is het belangrijk om de juiste printoriëntie te kiezen, de wanddikte en infill-dichtheid te verhogen. Ook kan de weerstand toegenemen door de flow-rate aan te passen, de printsnelheid te verlagen, de lijnbreedte te vergroten, de printtemperatuur te verhogen en zelfs de koelventilatoren uit te schakelen. Tot slot: overweeg om met nylon te printen en het object te aanbranden (annealen).

Begin met het ontwerp

Deze sectie benadrukt het belang van het ontwerp vóór het printen en hoe je dat in je voordeel kunt gebruiken.

Door spanningsanalyse op het onderdeel uit te voeren, identificeer je hoogspanningsgebieden. Lokale versterking en aanpassing van die gebieden geven een optimale sterkte-gewichtverhouding, verminderen filamentverbruik en minimaliseren printtijd.

Eerst kun je de infill-dichtheid lokaal verhogen in hoogspanningsgebieden.

In die gebieden kun je ook het aantal perimeters (wanddikte) verhogen tot de gewenste dikte.

Interne versterking is ook mogelijk. Als je een intern gat modelleert in een hoogspanningsgebied, behandelt de slicer dat gat als een onderdeelkenmerk. Het wordt dan met perimeters geprint, wat een interne structuur in de vorm van een buisje creëert, resulterend in betere krachtverdeling in dat gebied.

Slicer-instellingen die de sterkte beïnvloeden

Een slicer is software die een STL-model omzet in printercommando's (G-code). Binnen die commando's stel je functies in zoals printoriëntie, temperatuur, infill-patroon en -dichtheid, die kwaliteit en sterkte beïnvloeden.

Printoriëntie

Laagoriëntie bepaalt voor een groot deel hoe sterk de print is. De tussenlaag is een zwak punt: als je een kracht uitoefent parallel aan de laagoriëntie, breekt het deel bijna zonder weerstand. Bij het positioneren van je ontwerp in de slicer moet je rekening houden met de belasting en ervoor zorgen dat het printvlak niet parallel ligt aan die krachten.

Wanddikte (aantal shells/perimeters)

Shells of perimeters (de naam hangt af van de slicer) vormen het exterieur van 3D-prints. De machine print ze op een totaal andere manier dan het interieur. Veel instellingen beïnvloeden hoe shells worden geprint, en sommigen hangen direct met sterkte samen. Een voorbeeld is wanddikte.

De slicer-instelling voor wanddikte is vaak verdeeld in wanddikte en boven-/onderlaagdikte. Je kunt de wandbreedte (in mm) instellen, wat de breedte van de set wanden bepaalt, of het gewenste aantal passes dat de nozol voor de wanden maakt. Deze parameters correleren: aanpassen van de ene past de andere automatisch aan.

De instellingen voor boven- en onderlagen zijn vergelijkbaar. De dikte verwijst naar de hoogte van de lagen. Voor sterkere delen gebruik je grotere waarden: wanddikte tussen 2 en 3 mm, boven-/onderlaagdikte tussen 1,6 en 2 mm.

Infill-patroon

Er zijn veel infill-patronen beschikbaar. Voor maximale sterkte zijn patronen als cubic, cubic subdivision, octet, quarter cubic en gyroid te verkiezen boven patronen als lines of zig-zag, die lagere sterkte bieden.

Bij de keuze moet je rekening houden met het type belasting, de richting en het materiaal- en tijdsverbruik per patroon. Hoewel elk onderdeel afzonderlijke analyse vereist, is in het algemeen een honingraatpatroon met ongeveer 50% dichtheid de sterkste optie.

Infill-dichtheid

Naast het patroon beïnvloedt dichtheid de sterkte. Hoe dichter de infill, hoe sterker het deel, omdat meer materiaal de lasten draagt en de verdeling beter is.

Niet altijd is 100% dichtheid de beste keuze. Afhankelijk van de gewenste eigenschappen neemt het printtijd, filamentverbruik en gewicht toe.

Wat is een goede infill-dichtheid?

In het algemeen levert een infill-dichtheid boven 75% geen significante sterktetoename meer op. Een infill van 50% geeft vaak al dezelfde sterkte als 100%, of er heel dichtbij.

Laaghogte verlagen

Laaghogte is de hoogte van elke uitgeextrudeerde plastiklaag. Deze parameter hangt samen met het detailniveau (resolutie) van het eindresultaat.

Een studie naar de invloed van verschillende laaghogtes en nozoldiameters op printsterkte toonde aan: hoe hoger de laaghogte, hoe zwakker het deel. Van minimum tot maximum laaghogte was het sterkteverschil ongeveer 3,5 keer.

De nozoldiameter speelt een grote rol: printen met een grotere nozol maar lage laaghogte geeft een breder contactoppervlak per laag, wat resulteert in een sterker band en dus een sterkere 3D-print.

Lijnbreedte verhogen

De lijnbreedte is de breedte van de uitgeextrudeerde lijnen. Bij hogere extrusiebreedte moet de druk in de nozol hoger zijn om het materiaal naar de zijkanten te persen na het verlaten van de nozol.

Deze druk perst niet alleen het materiaal naar de zijkanten, maar drukt de lagen ook op elkaar, wat de Hafting tussen lagen verbetert. Lijnbreedte-waarden worden uitgedrukt als percentage van een 0,4 mm nozol.

Laaghafting en sterkte bereiken hun maximum bij 150%. Daarna nemen ze af omdat het oppervlak te ruw en gespannen wordt.

Flow-rate aanpassen

Een oorzaak van zwakke prints kan under-extrusie zijn door gaten, ontbrekende lagen of kleine gaatjes. Dit kan te maken hebben met een onjuiste flow-rate. Deze stapelsgewijs verhogen tot er verbetering zichtbaar is, kan het probleem oplossen.

Het tegenovergestelde, over-extrusie, kan ook voorkomen. Dan helpen geleidelijke verlaging van de flow. Laagscheiding is een andere manier om sterkte te verliezen; ook daar kan verhoging van de flow de oplossing zijn.

Printsnelheid verlagen

Afhankelijk van de capaciteit van de machine om een bepaalde snelheid aan te gaan, wordt de kwaliteit meer of minder beïnvloed. Snelle bewegingen van de extruder genereren aanzienlijke trillingen, wat leidt tot slechte kwaliteit. In sommige gevallen is het verlagen van de printsnelheid een goede oplossing.

Printtemperatuur verhogen

Hogere temperaturen betekenen betere Hafting tussen lagen. Omdat te lage temperaturen under-extrusie veroorzaken, bevatten prints bij hogere temperaturen meer materiaal en zijn zwaarder. Meer materiaal betekent meestal meer sterkte.

Wees voorzichtig: extreem hoge temperaturen zijn niet per se het beste voor sterkte. Je kunt draadige delen met holtes en bellen krijgen, en materiaaldegradatie kan het deel juist zwakker maken.

Koelventilator uitschakelen

De taak van de koelventilator is het materiaal snel te koelen nadat het uit de nozol komt, zodat het vastloopt en het deel niet vervormt tijdens het printen. Maar als je te veel koelt, kan de Hafting tussen lagen leiden en kunnen ze uiteen gaan.

Aan de andere kant: uitschakelen kan slechte bruggen of oververhitting (met vervorming) veroorzaken.

Ideale slicer-instellingen voor sterkere prints

Hieronder een tabel met ideale instellingen voor PLA-filament:

Voor andere gangbare materialen, ideale printtemperaturen:

• ABS: 230–240 °C
• PETG: 220–230 °C
• TPU: 220–240 °C

Ideale bedtemperaturen:

• ABS: 90–110 °C
• PETG: 70–85 °C
• TPU: 50–65 °C

Sterker filament gebruiken

Het gebruikte materiaal heeft direct gevolgen voor sterkte en duurzaamheid. In termen van sterkte is polycarbonaat de winnaar, gewaardeerd als het sterkste filamenttype. Correct geprint en op de juiste temperaturen levert polycarbonaat extreem sterke, langdurende componenten op.

Daarna volgt nylon, vergelijkbaar met polycarbonaat. Dit materiaal is inslag-, vermoeidheids- en hittebestendig, en heeft het voordeel dat het makkelijker te printen is dan polycarbonaat.

PLA en PETG zijn andere gangbare materialen, makkelijker te printen dan polycarbonaat. PLA is stijver, PETG flexibeler, waardoor het moeilijker breekt omdat het meer buigt. Deze eigenschap maakt PETG ook meer inslagbestendig dan PLA, want het absorbeert inslag beter. PLA is wel sterker op treksterkte.

De volgende tabel toont inslagsterkte voor verschillende materialen in verschillende oriëntaties (Joule/meter):

Welk filament weerstaat buitenafstandsvoorwaarden?

Wenselijke eigenschappen voor buitengebruik: UV-bestendigheid, temperatuurbestendigheid en waterbestendigheid.

PETG heeft UV- en waterbestendigheid, een goede optie voor buiten.

ASA is UV-bestendig en weerstaat alle weersomstandigheden. Het heeft een hoge glasovergangstemperatuur, resulterend in hoge temperatuurbestendigheid en inslag- en chemische weerstand.

Nylon, PLA en HIPS worden niet aanbevolen voor buitengebruik vanwege gebrek aan UV-bestendigheid. Ze verliezen kleur en worden broos met de tijd.

Welk filament weerstand het beste hitte?

Temperatuurbestendigheid is de hoogste temperatuur die een print aankan voordat het smelt of scheurt.

Polycarbonaat is bekend om sterkte, duurzaamheid en hoge hittebestendigheid. De glasovergangstemperatuur is 150 °C; prints kunnen hitte tot ongeveer 140 °C weerstaan.

ABS heeft hoge hitte- en schadebestendigheid. Glasovergangstemperatuur 105 °C; prints weerstaan temperaturen dichtbij 100 °C, maar niet langdurig.

PETG heeft ook goede hittebestendigheid en is makkelijk te printen. PETG weerstaat temperaturen tot 75 °C.

De print aanbranden (annealen)

Annealing verhoogt de sterkte en duurzaamheid van het deel. Het proces zorgt voor een toename in grote kristalstructuren in het plastic, wat helpt om lasten en warmte-energie gelijkmatiger te verdelen.

Het proces bestaat eruit het deel bloot te stellen aan een specifieke temperatuur: boven de glasovergangstemperatuur maar onder de smelttemperatuur, gedurende ongeveer 30 tot 45 minuten.

Conclusie

Zoals we hebben gezien, zijn er veel manieren om hoge-kwaliteit, sterke delen te krijgen. Meestal moet je er meerdere tegelijkertijd toepassen.

Begin in de ontwerpfase met spanningsanalyse, volg de juiste slicer-instellingen en kies het meest geschikte materiaal. Zo verkrijg je sterke, duurzame prints.