Eine der größten Einschränkungen für den Einsatz der additiven Fertigung in der Fluidsystemindustrie ist die Fähigkeit der gedruckten Teile, hydraulischen Belastungen standzuhalten, ohne undicht zu werden oder zu brechen. Konventionelle Lösungen beinhalten oft eine kostspielige Nachbearbeitung, um die natürliche Porosität von FDM- oder SLS-Technologien auszugleichen.
In diesem Zusammenhang zeichnet sich die Multi Jet Fusion (MJF)-Technologie in Verbindung mit dem hoch wiederverwendbaren Material PA12 durch ihre Fähigkeit aus, Teile mit einer hervorragenden intrinsischen Dichtigkeit ohne zusätzliche Behandlung herzustellen. Dieser Artikel fasst die Ergebnisse von Charakterisierungstests an MJF-HP-gedruckten Mustern zusammen, die bei Anwendungen mit einem hydraulischen Druck von bis zu 20 bar durchgeführt wurden.
Ziel: Bewertung der Druckbeständigkeit von mit MJF gedruckten Teilen
Die Studie bestand darin, das mechanische Verhalten und die Dichtigkeit unter Druck von Behältern zu qualifizieren, die in verschiedenen Geometrien (Kugel, Zylinder, Würfel) und mit verschiedenen Wandstärken (1,25 mm, 2,5 mm, 4 mm) gedruckt wurden. Alle Muster wurden aus PA12 auf HP Jet Fusion 4200 hergestellt und anschließend einer Reihe von Tests bei 25°C unter Wasserdruck unterzogen.
Drei Hauptziele:
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Bestimmen Sie die optimalen geometrischen und dimensionalen Konfigurationen, um die Wasserdichtigkeit zu gewährleisten.
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Beurteilen Sie die Bruchfestigkeit von gedruckten Teilen.
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Vergleichen Sie die Leistung von MJF mit anderen AM-Technologien, die auf dem Markt erhältlich sind.
Ergebnisse: Dichtungsleistung nach Wanddicke und Geometrie
1. Verhalten unter statischem Druck (Test 7h)
Die Dichtheitsprüfungen wurden bei 3, 10 und 20 bar durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine direkte Abhängigkeit von den geometrischen Variablen :
Empfohlene Wandstärke (Kugel- und Zylinderform)
| Testdruck | 1.25 mm | 2.5 mm | 4 mm |
|---|---|---|---|
| 3 bar | ✅ | ✅ | ✅ |
| 10 bar | ❌ | ✅ | ✅ |
| 20 bar | ❌ | ❌ | ✅ |
Die 2,5-mm-Exemplare dichteten bis zu 10 bar ab, während die 4-mm-Exemplare bis zu 20 bar aushielten, ohne auszulaufen.
Einfluss der Geometrie auf die Druckfestigkeit
| Form des Behälters | 3 bar | 10 bar | 20 bar |
|---|---|---|---|
| Sphäre | ✅ | ✅ | ✅ |
| Zylinder | ✅ | ✅ | ✅ |
| Würfel | ❌ | ❌ | ❌ |
Geometrien mit ebenen Oberflächen (z. B. Würfel) sollten für Druckanwendungen vermieden werden. Eine Kugel ist mechanisch optimal, da sie lokale Spannungen minimiert.
Bruchfestigkeit: bis 45,9 bar ohne Versagen
Ein an einem zylindrischen Prüfstück (Dicke 2,5 mm) durchgeführter Bruchtest zeigte, dass das aus MJF gedruckte Material einem allmählichen Druckanstieg auf bis zu 45,9 bar standhalten konnte, ohne zu brechen. Dieser Wert liegt über den typischen Anforderungen für viele industrielle Anwendungen, z. B. in der Niederdruckhydraulik, im HLK-Bereich oder bei Armaturen.
Vergleich mit anderen additiven Verfahren
| Technologie | Material | Max. erreichter Druck (Dicke 2,5 mm) |
|---|---|---|
| HP MJF | PA12 | 45 bar |
| SLS | PA2200 | 45 bar |
| SLA | VisiJet Tough | 25 bar |
| Jetting | VeroClear / SR200 | 30-40 bar |
Die MJF-Technologie positioniert sich auf dem Niveau von SLS und bietet darüber hinaus eine bessere Maßgenauigkeit, eine höhere Wiederverwertbarkeit und ein besseres isotropes Verhalten.
Formstabilität und Kriechen
Die getesteten Teile zeigen bei der Druckbeaufschlagung ein leichtes anfängliches Kriechen, das mit der thermoplastischen Natur von PA12 zusammenhängt. Dieses Phänomen ist unter Kontrolle, solange die angewandte Spannung unterhalb der Kriechgrenze bleibt. Bei Systemen, die über längere Zeit einem konstanten Druck ausgesetzt sind, sollte dieses viskoelastische Verhalten in die Dimensionierungsberechnungen einbezogen werden.
Chemische Kompatibilität von PA12
Die Tests zur Chemikalienbeständigkeit zeigen eine ausgezeichnete Inertheit von PA12 gegenüber den wichtigsten Industrieflüssigkeiten :
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Vollständige Beständigkeit: Alkalien, Kohlenwasserstoffe, Öle, Alkohole, Ester, Ketone, DOT3, Benzin.
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Mäßige Auswirkungen nur bei: heißem Wasser, chlorierten Lösungsmitteln (Typ Trichlorethylen).
Dies ermöglicht eine Integration in rauen Umgebungen ohne beschleunigten Abbau.
Gestaltungsempfehlungen für Planungsbüros
Hier sind einige bewährte Verfahren für die Konstruktion von fluidischen Teilen mit HP MJF :
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Bevorzugen Sie gebogene oder zylindrische Formen, um die Belastung zu homogenisieren.
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Vermeiden Sie breite, flache Wände ohne strukturelle Verstärkung.
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Bevorzugen Sie eine Dicke ≥ 2,5 mm für Drücke ≥ 10 bar.
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Plane einen mechanischen Sicherheitszuschlag von 2 bis 3 mal dem Arbeitsdruck ein.
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Verwenden Sie einen Innenradius ≥ 2 mm, um Spannungskonzentrationen zu begrenzen.
In Zusammenfassung
✅ Die HP MJF-Technologie mit PA12 ermöglicht es, ohne Nachbearbeitung zuverlässige, druckfeste, wasserdichte Teile mit hoher geometrischer Genauigkeit herzustellen.
✅ Sie ist eine glaubwürdige Alternative zu Spritzgussteilen bei der Herstellung komplexer fluidischer Komponenten oder in begrenzter Stückzahl.
✅ Dank ihrer hohen mechanischen Festigkeit, ihrer chemischen Verträglichkeit und ihres langfristig stabilen Verhaltens passt sie perfekt in anspruchsvolle Industrieumgebungen.
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