Konstruktionsrichtlinien und Designoptimierungen für den Kunststoff-3D-Druck

Konstruktionsrichtlinien 3D-Druck - Beitragsbild

Bild: Shutterstock / Gorodenkoff

Für die additive Fertigung von Kunststoffteilen gibt es weniger Restriktion in der Konstruktion als bei den meisten konventionellen Verfahren, wie z. B. dem Spritzguss. Insbesondere trifft dies auf pulverbettbasierte 3D-Druckverfahren (bspw. Multi Jet Fusion) zu, bei welchen (fast) jedes Design möglich ist.

Kunststoffbauteile, die für Spritzguss oder spanabhebende Verfahren konstruiert und dahin gehend optimiert wurden, können meist auch mit dem Multi Jet Fusion-Verfahren hergestellt werden. Allerdings empfiehlt es sich, insbesondere bei größeren Stückzahlen, eine Optimierung für den 3D-Druck vorzunehmen („design for additive manufacturing – DFAM“).

Wir haben auf dieser Seite einige Empfehlungen für die Konstruktion additiv gefertigter Bauteile zusammengestellt:

1. Anforderungen an die 3D-Datei
Konstruktionsrichtlinien 3D-Druck - Symbolbild CAD Modell am Bildschirm

Grundlegende Anforderungen an das digitale 3D-Modell, bzw. die CAD-Datei, ohne die ein Bauteil für den 3D-Druck nicht verarbeitet werden kann. Dies betrifft die Art und Weise, wie das 3D-Modell aufgebaut ist, nicht die Konstruktion.

2. Druckbarkeit & Konstruktionsrichtlinien
Konstruktionsrichtlinien 3D-Druck - Testplatte Wandstärken

Dies betrifft die Konstruktion der Bauteile, d. h. die Eigenschaften, welche für eine erfolgreiche Produktion zwingend notwendig sind. Beispiele dafür sind minimale Wandstärken, Kanäle/ Bohrungen sowie Anforderungen an Hohlräume.

3. Designoptimierung für den 3D-Druck
Konstruktionsrichtlinien 3D-Druck - Gitterstruktur zur Gewichtsoptimierung im Metall 3D-Druck

In diesem Abschnitt geben wir Hinweise zur Optimierung für die additive Fertigung hinsichtlich Funktion (Bohrungen/Gewinde, Topologieoptimierung, etc.) und Wirtschaftlichkeit (Kosteneinsparung).


Konstruktionsrichtlinien 3D-Druck - Symbolbild CAD Modell am Bildschirm

Bild: Shutterstock / Fernando Blanco Calzada

1. Anforderungen an die 3D-Datei

Für einen 3D-Druck ist für das zu druckende Objekt als digitales Modell erforderlich. Die Modelle werden mittels CAD, bzw. 3D-Design Programmen oder durch einen 3D-Scan erstellt.
Bei gängigen Konstruktionsprogrammen, wie Inventor, Fusion360 oder Solidworks, kann das Modell meist problemfrei in Standardformaten wie STP oder STL exportiert werden. Eine Überprüfung (mit Ausnahme des Dateiformates) ist in aller Regel nicht erforderlich.
Bei älteren Softwareversionen, weniger verbreiteten Konstruktionsprogrammen, 3D-Programmen im Design oder Architekturbereich sowie beim 3D-Scan empfehlen wir, die hier aufgeführten Anforderungen zu beachten.
Für den Farb 3D-Druck werden die jeweilige Textur oder bestimmte Farbinformationen zusätzlich zum 3D-Modell benötigt. Die Dateiformate OBJ, 3MF oder VRML können dies leisten.

Neben den Anforderungen finden Sie auch Links zu Anleitungen mit Lösungsvorschlägen:

Dateiformate

Für den 3D-Druck werden Daten in Form von 3D-Modellen benötigt. Dabei haben sich folgende Formate durchgesetzt:

  • STP: CAD-Format, welches sich aus allen gängigen CAD-Programmen exportiert lässt. Seltener wird auch das veraltete Format IGES eingesetzt, welches ähnliche Informationen beinhaltet.
  • STL, OBJ: Mesh-Dateien, welche ebenfalls aus fast allen gängigen Programmen exportiert werden können. Bei Mesh-Dateien ist zu beachten, dass die Auflösung nicht zu niedrig ist (~0,01 – 0,05 mm), da es sonst zu Qualitätseinschränkungen kommen kann (hier finden Sie Beispiele dazu). Wenn Sie sich bei der Auflösung unsicher sind, können Sie uns gern auch die STP-Datensätze senden.
  • 3MF, VRML, OBJ: Dateiformate, die Farbinformationen/Texturen enthalten und für den Farb-3D-Druck benötigt werden.

Beachten Sie bitte: Auf Grundlage von Bildern, Zeichnungen und von Fotos kann leider weder 3D-gedruckt werden noch kann ein Angebot erstellt werden.

Weitere Informationen über die 3D-Druck-Dateiformate erhalten Sie auf folgenden Seiten:

Wasserdichte

Eine Grundvoraussetzung für den 3D-Druck ist es, dass das zu druckende Objekt ein Volumenkörper ist. Dieser Volumenkörper muss vollständig geschlossen sein, d. h. es dürfen keinerlei Löcher (z. B. fehlende Polygone) vorhanden sein.

Sie können es sich bildlich so vorstellen: Sie versuchen das Objekt mit Wasser zu füllen -> würde es irgendwo herauslaufen?

Das Problem der fehlenden Polygone kann bei manchen Programmen ‚versehentlich‘ bei einigen (Umrechnungs-)Operationen auftreten, z. B. bei booleschen Operationen.

Geringfügige Fehler werden durch uns sofort korrigiert. Größere Fehler/Lücken der Oberfläche können jedoch zu Fehlinterpretationen führen, da für die Druckersoftware nicht mehr eindeutig ist, was an dieser Stelle zu drucken ist. Dieser Fehler äußert sich darin, dass Teilbereiche des Objektes verschwinden können bzw. ‚Wulste‘ auf dem Objekt gedruckt werden.

Möglichkeiten die Wasserdichte Ihres 3D-Modells zu überprüfen:

  • Blender: Mit dem kostenlosen 3D-Programm Blender können Sie überprüfen, ob Ihr 3D-Modell wasserdicht ist, dazu können Sie das Tool ‚Solid Check‘ in der 3D-Druck Toolbox benutzen.
  • Meshmixer: Anleitungen wie Sie mit (dem ebenfalls kostenlosen Programm) Meshmixer Ihr 3D-Modell auf Wasserdichte überprüfen können finden Sie hier (externe Links): Anleitung1; Anleitung2; Anleitung3;
3D-Modell mit Lücke - nicht wasserdicht

Nicht wasserdichtes 3D-Modell aufgrund fehlender Polygone.

3D-Modell - wasserdicht

Wasserdichtes 3D-Modell.

Volumenkörper

3D-Modelle, die nur aus Flächen bestehen, können nicht gedruckt werden, dies ist meist bei Modellen der Fall, die zu Visualisierungszwecken konstruiert wurden. Solche 3D-Modelle finden Sie auch oft auf 3D-Datenbanken im Internet.

Das Problem bei diesen Flächen ist, dass sie eine Wandstärke von 0 haben. Für den 3D-Druck werden aber grundsätzlich Volumenkörper benötigt, d. h. die Objektwände müssen eine Wandstärke > 0 haben. Darüber hinaus müssen Sie bei der Erstellung der 3D-Modelle die Mindestwandstärken beachten, denn zu dünne Wände bergen die Gefahr zu zerbrechen.

Für HP Multi Jet Fusion können Sie sich an folgenden Abmessungen orientieren:

  • min. 0,5 mm (Objekt ist etwas flexibel)
  • 2 mm (Objekt ist recht stabil/starr)
  • min. 0,9 mm für ungestützte Objekte/Objektteile

Überschneidungen von Flächen

Eine weitere Fehlerquelle beim 3D-Druck, deren Ursache in den 3D-Modellen liegt, sind Überschneidungen (self-intersection) von Polygonen der zu druckenden Objekte. Überschneidungen passieren, wenn zwei Objekte dieselbe Stelle im 3D-Modell einnehmen. Oftmals führt dies zu Fehlinterpretationen des 3D-Druckprogramms und der 3D-Druck wird fehlerhaft.

Dies kann beim Erstellen des 3D-Modells passieren, wenn Sie zwei eigenständige Körper miteinander kombinieren/gruppieren. Das Gruppieren allein reicht nicht aus, damit der 3D-Druck fehlerfrei ablaufen kann. Mithilfe von Booleschen-Operationen können diese Körper zu einem Objekt zusammengefügt werden, damit werden Fehlinterpretationen weitgehend ausgeschlossen.

Hier finden Sie eine Anleitung (englisch) von Autodesk/Netfabb, wie Sie die Überschneidungen beseitigen können.

Ausrichtung der Flächen

Die Polygone unterliegen einer Unterscheidung in Innen- und Außenseiten. Dies ist notwendig um das Volumen des Objekts korrekt zu bestimmen. Bei dieser Bestimmung der Innen- und Außenseiten kommt es aufgrund von Softwarefehlern immer wieder mal vor, dass eine Fläche falsch orientiert wird.

Die 3D-Druckvorbereitungsprogramme „versuchen“ nun diesen Fehler zu reparieren, dabei kann es zu Fehlinterpretationen kommen (Verschwinden von Elementen bzw. Generieren von Artefakten). Daher ist es ratsam, die richtige Orientierung der Flächen zu überprüfen und die erkannten Fehler zu korrigieren.

Hier finden Sie kurze Anleitungen wie Sie das u. a. mit dem Programm Netfabb bewerkstelligen können.


Konstruktionsrichtlinien 3D-Druck - Testplatte Wandstärken

Bild: 3Faktur

2. Druckbarkeit & Konstruktionsrichtlinien

Die grundlegenden konstruktiven Anforderungen für die additive Fertigung mit dem Multi Jet Fusion Verfahren sind überschaubar. Hierbei sind insbesondere Wandstärken, Kanäle und die korrekte Bemaßung zu beachten.

Sind diese Voraussetzungen erfüllt, kann das Objekt hergestellt werden. Um das Ergebnis weiter zu optimieren, beachten Sie bitte auch die Hinweise in Punkt 3 (Optimierung der Konstruktion für den 3D-Druck).

Minimale Wandstärken

Unter einer Wandstärke wird im 3D-Druck die Dicke einer Struktur des Bauteils verstanden. Dabei werden verschiedene Arten von Wänden unterschieden. Die Wandstärken können unter anderem mit dem Programm Meshmixer überprüft werden (Bereich: Analysis -> Option: Thickness oder Measure).

Wände in engeren Sinn:

  1. Gestützte (verbundene) Wände: Sind an mindestens zwei Seiten mit anderen Strukturen verbunden.
  2. Ungestützte (frei stehende) Wände: Sind nur an einer Seite mit anderen Strukturen verbunden.

Stege: Diese zeichnen sich durch eine geringere Fläche aus und sind meist quadratische, runde oder ovale Objekte. Sie sind eher Stangen ähnlich als Wänden. Aber bei ihnen treten die gleichen Probleme auf, wie bei „klassischen“ Wänden. Bedingt durch ihre geringe Breite sind sie deutlich brüchiger als Wände.

  1. Gestützte Stege: Dabei handelt es sich um Stangen, die an zwei Stellen mit anderen Strukturen verbunden sind.
  2. Ungestützte Stege: Sind nur an einer Stelle mit der restlichen Struktur verbunden.

Auswirkungen von zu geringen Wandstärken

  • Verzug: Verfahrensbedingt kann es bei relativ dünnen, großflächigen Wänden zu Verzug (mehr dazu in Abschnitt 3 – Designoptimierung) kommen. Da das Material auch eine gewisse Flexibilität hat, verstärkt sich die Gefahr. Daher sollten kritische Wände abgestützt oder mit einer erhöhten Wandstärke versehen werden.
  • Bruch: Zu dünne Wände können schon während des Druckprozesses reißen/abbrechen. Aber auch bei den Nacharbeiten und dem Finishing kann es zu Brüchen kommen. Dabei sind insbesondere zwei Arbeitsschritte kritisch:
    • Herausholen des Werkstückes aus dem Pulverbett: Das Eigengewicht des restlichen Pulvers allein kann schon zum Abbrechen von Teilstücken führen. Aber auch durch das Verdecken von filigranen Strukturen durch das Materialpulver kann es beim Herausnehmen aus dem Pulverbett oder beim Entfernen des Pulvers durch den Produktionsmitarbeiter zum Abbrechen von Bestandteilen des Werkstücks kommen. Hierbei sind ungestützte und filigrane Strukturen besonders anfällig für Bruch.
    • Reinigung: Zur Reinigung der Werkstücke wird ein Sandstrahlverfahren verwendet. Dabei wird mit hoher kinetischer Energie das Strahlgut auf das Objekt geblasen. Diese Energie reicht aus, um sehr dünne Wände (< 0,3 mm) des Objektes zu durchschlagen. Auch das Abbrechen von ungestützten Strukturen ist beim Sandstrahlen möglich. Selbst Verzug ist, durch die teilweise sehr hohen Temperaturen durch die entstehende Reibung, bei sehr dünnen Bereichen möglich

Symbolbild-gestützte Wand

Beispiel: gestützte Wand

Symbolbild-ungestützte Wand

Beispiel: ungestützte Wand

Symbolbild- gestützter Steg

Beispiel: gestützter Steg

Symbolbild-ungestützer Steg

Beispiel: ungestützter Steg

Richtwerte für Wandstärken

Die minimale Wandstärke beträgt für das Multi Jet Fusion Verfahren 0,5 mm. Damit sollten Sie in den meisten Fällen auf der sicheren Seite sein, dies ist allerdings die untere Grenze, wenn Sie sichergehen wollen, sollten Sie die Wände etwas stärker gestalten. Folgend ein paar Regeln für das Design für den Kunststoff 3D-Druck:

  • Je größer die Fläche desto stärker sollte sie sein! Für kleine Wände bis wenige mm (Faustregel 10 mm bei ungestützten, 25 mm bei gestützten Wänden) reichen 0,5 mm aus. Bei größeren Wänden verringert sich die Stabilität. Verbindliche Aussagen, ab welchen Größen dies im welchem Maß passiert, können leider nicht getroffen werden. Als praktikabel haben sich folgende Werte herausgestellt:
    • Für Wände mit wenigen cm bis ~ 10 cm ⇒ 1 – 2 mm.
    • Für Wände mit 10 cm – 20 cm ⇒ 2,0 – 2,5 mm.
    • Für Wände mit 20 cm – 30 cm ⇒ 2,5 – 3,0 mm.
    • Für Wände > 30 cm ⇒ >3,0 mm.
  • Ungestützte Wände sollten allgemein stärker sein als gestützte. Aber auch hier gibt es keine absoluten Werte, da die Stabilität in hohem Maß auch von der Geometrie der Strukturen abhängt.

Hohlräume und Escape Holes

Escape Holes:

Der 3D-Druck ermöglicht es Ihnen die Objekte auch auszuhöhlen, dies spart Material, Gewicht und Kosten. Bei den pulverbettbasierten 3D-Druckverfahren bleibt aber in den Hohlräumen weiterhin Materialpulver. Damit dieses Pulver entfernt werden kann, müssen s. g. „Escape Holes“ in das 3D-Modell integriert werden.

Hinweise zum Anlegen von Escape Holes:

  • Einfache Geometrien des Hohlraumes, ohne Verwinklungen und Kurven: oftmals reicht eine Öffnung, um das überschüssige Material aus dem Hohlraum zu blasen. Dabei sind Öffnungen von min. 5 mm notwendig.
  • Komplexere Geometrien des Hohlraumes oder relativ großer Hohlraum: Hier werden meist min. zwei Öffnungen benötigt, damit die Druckluft an der einen Seite rein kann und das Pulver durch das zweite Loch heraus kann. Diese Löcher können auch kleiner als 5 mm sein.
  • Hinweis: Bei einer komplexen Geometrie der Kavität oder bei Öffnungen < 5 mm (Mindestanforderung 2 mm Durchmesser), dass sich das Pulver in Ecken, an Winkeln oder an Kurven sammelt und nicht mehr entfernt werden kann. Dies kann zu Funktionsstörungen des Bauteils führen im Laufe der Zeit, durch Trockung oder Vibrationen freigesetzt werden kann.

Design-Empfehlungen:

  1. Eine Öffnung: min. 5 mm Durchmesser
  2. Zwei oder mehr Öffnungen: 5 mm Durchmesser empfohlen, mindestens jedoch 2 mm Durchmesser

Katzenfigur mit Escape Hole

Werkstück mit einem „Escape Hole“ (Colorjet Verfahren)

Symbolbild Escape Holes zum Entfernen von Materialpulver

Beispiel mit zwei „Escape Holes“

Kanäle und Sacklöcher

Ein Kanal ist eine Aussparung in einer sonst massiven Struktur, die einen Eingang und einen Ausgang hat, quasi eine Röhre. Die additive Fertigung mit pulverbettbasierten 3D-Druckverfahren ermöglicht es Ihnen Kanäle oder Sacklöcher (nur eine Öffnung) direkt mitzudrucken.

Problemlage:

Werden Kanäle oder Sacklöcher direkt gedruckt, entsteht häufig das Problem, dass das nicht benötigte Materialpulver auch aus dem Kanal entfernt werden muss. Dies kann bei kurvenreichen oder verwinkelten Kanälen schwierig werden, da der Luftstrahl zum Austragen des Materials nicht den gesamten Kanal erreicht. Oder sich das Material an den Biegungen sammelt und den Kanal verstopft.

Lösungsansätze:

Bei geraden Sacklöchern oder Kanälen ist ein einfaches Nachbohren möglich, welche das überschüssige Material meist zverläsig entfernt. Wichtig ist jedoch hierbei, ein Mindest-Druchmesser von 2 mm.

Bei kurvigen Kanälen sollte der Durchmesser so groß wie irgendmöglich gewählt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Art Draht oder Kette in den Kanal konstruktiv zu integrieren. Dieses Element wird bei der Reinigung herausgezogen, damit wird ein großer Teil des „Füllmaterials“ innerhalb des Kanals gelöst und entfernt. Das restliche Material kann dann leichter aus dem Kanal entfernt werden.

Der Draht sollte einen Mindestdurchmesser von 1 mm und einen Abständ von mind. 0,5 mm zur Kanalwand haben, bei größeren Kanälen entsprechend mehr.


Hilfskonstruktion für den 3D-Druck von Kanälen

Hilfskonstruktion für den 3D-Druck von Kanälen für Multi Jet Fusion. Darstellung: HP.

Maßstab und Einheit des Objektes

Verschiedene 3D-Programm arbeiten mit verschiedenen Einheiten. In Deutschland wird überwiegend mm verwendet, doch auch cm und, meist bei angelsächsischen Programmen, Zoll sind möglich. Im Architekturbereich wird zudem häufig mit m gearbeitet. Eine STP Datei enthält die entsprechende Maßeinheit, so dass (meist) eine Verwechslung ausgeschlossen werden kann. Im Fall von Mesh-Dateien, wie dem STL Format, ist diese Information jedoch nicht enthalten.

Problemlage:

Wir haben es wiederkehrend mit Verwechslungen in den Maßeinheiten zu tun. Meist zwischen cm und mm manchmal auch zwischen mm und zoll (inch). Auch in der Skalierung treten häufig Fehler auf, insbesondere bei verkleinerten Modellen von großen Bauteilen oder Anlagen.

Bei einer unklaren Angaben gehen wir stets von der Standard-Einheit mm aus. Sofern die Objekte durch die Verwechslung nicht in einen Bereich rutschen, in dem Sie nicht mehr druckbar sind, fällt uns die fehlerhafte Skalierung bzw. Einheit nicht auf.

Lösungsvorschläge:

  • Angebote: In unseren Angeboten sind die Abmaße des Objektes beinhaltet, wir bitten Sie diese stets zu überprüfen.
  • Direktbestellung: Bei einer Direktbestellung sind die Abmaße im Bestellfeld ersichtlich.
  • Allgemein: Im Zweifelsfall können Sie einfach die Abmaße der Objekte im Kommentarfeld (Bestellung über unser System), bzw. per E-Mail oder auf Ihrem Bestellformular angeben.

Direktbestellung

Abmasse Direktbestellung

Die Abmaße sind bei unserem Online 3D-Druck Service direkt unterhalb der Objektdarstellung zu finden.

E-Mail Angebot

Abmasse Angebot

Bei unseren E-Mail Angeboten finden Sie die Abmaße in der Objektbeschreibung.

Schriften & Gravuren

Markierungen oder Schriftzeichen auf dem 3D-gedruckten Objekt sind auch möglich, allerdings müssen auch hier bestimmt Designvorgaben eingehalten werden. Sonst können Objektbestandteile miteinander verschmelzen oder abbrechen. Auch für die Lesbarkeit von 3D-gedruckten Schriften sollten Sie die Designhinweise beherzigen.

  • Min.-schriftgröße für Vertiefungen/Erhöhungen: 6 pt
  • Min.-durchmesser Löcher bei 1 mm Wandstärke: 0,5 mm
  • Min.-durchmesser eines Stiels 10 mm Höhe: 0,5 mm
  • Mindestabstand zweier Wände: 0,5 mm
  • Optimale Tiefe einer Schrift: 1 mm
  • Optimale Höhe einer Schrift: 1 mm
Beispielbild Schriften & Gravuren

Quelle: Designrichtline HP

Beispielbild Schriften & Prägungen

Quelle: Designrichtline HP

Designvorgaben für das Zusammenfügen von Objekten

Sie können 3D-Modelle auch so gestalten, dass die Modelle später fest zusammengefügt werden. Dies ist hilfreich bei sehr großen Objekten, die zu groß für einen Bauraum sind. Dasselbe gilt für Objekte, die schon während des 3D-Drucks zusammengefügt werden sollen. Dabei sollten Sie die folgenden Designhinweise beachten.

  • Min.-abstand zwischen den Objekten: 0,4 mm
  • Beachten Sie auch eine allgemeine Toleranz von ± 0,2 mm
  • Bei zusammengedruckten Objekten: min. 0,7 mm
  • Ab Wandstärken von > 50 mm: etwas mehr

Zusammenkleben von PA 12 Bauteilen

  • Klebestrukturen erhöhen Wirkung (siehe Abbildung)
  • Vorher: Oberflächen säubern
  • Optional: Mechanischer Abrieb (bessere Bindewirkung)
  • Mögliche Kleber: Epoxidkleber, 2-Komponentenkleber (Polyurethan), Acrylkleber, Cyanoacrylatkleber (für kleine Flächen)
  • Wichtig: Beachten Sie die Sicherheitshinweise der einzelnen Kleber!
Beispielbild Zugammengefügte Objekte

Beispiel Zusammenfügen, Quelle: HP

Beispielbild Mindestabstand Zusammengedruckte Objekte

Mindestabstand zusammengedruckter Objekte, Quelle: HP

Beispielbild Klebestrukturen fürs Zusammenfügen

Beispiele für Klebestrukturen, Quelle: HP


Konstruktionsrichtlinien 3D-Druck - Gitterstruktur zur Gewichtsoptimierung im Metall 3D-Druck

Bild: iStock / Latsalomao

3. Designoptimierung für den 3D-Druck

Sind alle Anforderungen in Abschnitt 1 und 2 erfüllt, kann das Objekt gedruckt werden. Jedoch führt dies nicht immer zum gewünschten Ergebnis.

In diesem Abschnitt finden Sie Hinweise, wie die Konstruktion für den 3D-Druck hinsichtlich der Funktion bzw. den Kosten optimiert werden kann.

Insbesondere bei höheren Stückzahlen bzw. dem Einsatz des Bauteils als Funktionsteil, empfiehlt sich eine entsprechende Überprüfung bzw. Anpassung des Modells.

3.1 Funktionalität

Verzug, Warping & Einsacken

Große / massive Körper neigen dazu, im Zentrum einzusacken. Bei dünnen, graden, relativ großen Flächen, kann es hingegen zum Verzug des Werkstückes kommen.

Problemlage:

  • Einsacken: Große / massive Vollkörper können beim 3D-Druckverfahren Multi Jet Fusion einsacken bzw. an der Oberfläche eine Elefantenhaut (Orangenhaut) aufweisen. Geometrie- und verfahrensbedingt nehmen massive Vollkörper sehr viel Wärme auf und strahlen diese auch auf das umliegende Pulver ab. Dabei kann das umliegende Material mit aufgeschmolzen werden und es entstehen unsaubere Kanten. Ein anderes Problem mit massiven Vollkörpern ist, dass diese aufgrund ihrer Form ungleichmäßig abkühlen. Durch dieses ungleichmäßige Abkühlen können Abweichungen bzw. Einsackungen entstehen.
  • Verzug: Großflächige, dünne Strukturen neigen zum Verzug. Auch hierbei spielt Temperatur die entscheidende Rolle: die Strukturen kühlen sehr schnell ab, jedoch außen (im Bauraum) schneller als innen. Dadurch können Materialspannungen auftreten, welche zum Verziehen oder „Warping“ des Objektes führen.

Lösungsansätze:

  • Massive Vollkörper: Massive Körper können ausgehöhlt werden, wenn dies mit der Statik vereinbar ist. Empfehlenswert ist dies bei Strukturen mit einer Stärke von 20 mm oder mehr. Dabei ist es auch möglich, für Hohlräume Stützstrukturen einzufügen, die Stabilität steigern. Je nach Geometrie und Richtung der Belastung können verschiedene Strukturen angebracht sein (Gitternetze, Waben, Knochenstrukturen, Fachwerk, Bambus). Sie können Escape Holes (siehe Abschnitt 2 – Konstruktionsrichtlinien) einfügen oder diese weglassen. In letzterem Fall verbleibt das Pulver im Innenraum. In einem solchen Fall sollten Sie uns aber in jedem Fall ausdrücklich darauf hinweisen, da vollständig umschlossene Hohlräume in der Druckvorbereitung ansonsten automatisch verschlossen werden.
  • Großflächige, dünne Strukturen: Wir versuchen bei derartigen Strukturen, mittels optimaler Positionierung im Druckraum und verlängerten Abkühlphasen den Verzug so weit wie technisch möglich zu limitieren. Leider kann dies nicht vollständig ausgeschlossen werden.
    Grundsätzlich sollten derartige Flächen vermieden werden. Es empfiehlt sich, die Wandstärke so weit wie möglich zu erhöhen.

Stabilität der Elemente

Stabilität der Werkstücke:

Seit dem Aufkommen des 3D-Drucks ist der Glaube vorhanden, dass alles nun 3D-druckbar ist. Für geometrische Formen stimmt dies auch in gewissem Maße. Allerdings müssen die 3D-gedruckten Strukturen sich auch tragen und stabil sein. Sprich – auch beim 3D-Druck gelten die Gesetzte der Physik.

Problemlage:

Anhand des 3D-Modells kann nicht immer klar erkannt werden, ob das Objekt nach dem 3D-Druck stabil ist. Wenn filigrane Strukturen einen größeren Materialblock alleine tragen sollen, kann es leicht zum Abbrechen der Struktur kommen. Bei zu geringen Wandstärken reicht manchmal auch schon das Eigengewicht der Struktur, um ein Abbrechen hervorzurufen.

Symbolbild Stabilität

Versichern Sie sich, dass tragende Elemente der Belastung standhalten.

Designhinweise:

Überprüfen Sie, ob tragende Strukturen der Belastung Stand halten können. Meist haben CAD Programme die Möglichkeit, die Stabilität einzelner Elemente zu überprüfen und ggf. kritische Elemente zu verstärken bzw. zusätzliche Strukturen einzufügen.

Ecken, Kanten, Radien

Beim Druck werden Ecken und Kanten i. d. R. abgerundet. Sehr spitze Kanten können zudem ausbrechen.

Problemlage:

Auf 0 zulaufende, flache Kanten unterschreiten die minimale Anforderung an die Wandstärke. Dadurch können die Kanten während des Drucks oder der Nachbearbeitung ausbrechen.

Designhinweise:

Vermeiden Sie bei der Konstruktion zu spitze Winkel, oder planen Sie gleich mit abgerundeten Kanten. Durch eine geschickte Orientierung des Objekts im Bauraum kann in puncto „Schärfe“ noch etwas herausgeholt werden. Der minimale empfohlene Radius beträgt 0,4 mm.

Topologieoptimierung

Bei der Topologieoptimierung geht es darum, die bestmögliche Struktur, Form und Zusammenspiel der Elemente herauszufinden und zu implementieren. Ziel ist es dabei, die Konstruktion so anzupassen, dass die gewünschte Funktionalität bei geringstmöglichem Materialeinsatz erzielt wird.

Dies äußert sich meist in einer signifikanten Reduzierung des Gewichts und damit auch des Preises des Objekts. Grund dafür ist das Weglassen von überflüssigen (nicht belasteten) Flächen. Dafür stehen Ihnen unterschiedliche kommerzielle Softwareprogramme zur Verfügung (z. B. Abaqus, Optistruct). Dabei kommen verschiedene Methoden zur Anwendung: solid isotropic material penalization method (SIMP), ground structure method, homogenization method, etc.

Topology Optimierung Beispiel

Quelle: Siemens PLM Software

Bohrungen

Bohrungen sind bei vielen Bauteilen ein wichtiger Bestandteil. Hier stellt sich die Frage, ob diese nachträglich hinzugefügt oder gleich mitgedruckt werden sollen. Es kommt immer mal vor, dass Locher nicht ganz gerade sind oder die 3D-gedruckten Löcher verschlossen sind.

Beim direkten 3D-Druck von Bohrungen kommt es auf die Richtung an in der diese im Bauteil gedruckt werden.

  • Bohrungen, die horizontal im Bauraum liegen, werden fertigungsbedingt eher oval.
  • Vertikale Bohrungen sind aller Regel sehr genau (in dem Rahmen, den die technischen Rahmenbedingungen vorgeben).

Im 3D-Druck macht es folglich einen spürbaren Unterschied, in welcher Richtung Rundungen 3D-gedruckt werden. Sind die Rundungen auf der XY-Achse orientiert, dann werden sie in der Regel sehr genau und rund. Auf der Z-Achse hingegen werden fertigungsbedingt die Schichten des Druckverfahrens sichtbar (je nach Radius unterschiedlich stark), sodass keine perfekten Rundungen entstehen.
Die Orientierung eines Bauteils im Bauraum des 3D-Druckers ist variabel, weisen Sie uns gegebenenfalls auf wichtige Rundungen hin, damit wir das Bauteil entsprechend orientieren können. Lassen Sie das Wissen um die Beschränkungen der Rundungen in die Konstruktion des 3D-Modells mit einfließen, um die besten Ergebnisse zu erhalten.

Um dem Verschließen der Bohrungen vorzubeugen, beachten Sie bitte, dass der Durchmesser des Loches groß genug ist (Durchmesser > 0,5 mm). Bei sehr tiefen Bohrungen kommt hinzu, dass die Wände der Bohrung Wärme abgeben und damit mehr Material zusammengeschmolzen wird, als vorgesehen. Sie können diese Bohrungen manuell nachbohren. Eine andere Möglichkeit besteht darin, diese Gegebenheiten in die Konstruktion miteinzubeziehen, dies bedarf allerdings einiges Testaufwandes und Erfahrungen. Sehr tiefe Bohrungen verengen sich zum Ende hin aufgrund der Wärmeaufnahme des Materialpulvers etwas.

Gewinde

Gewinde sind funktional sehr wichtige Elemente in Bauteilen. Gewinde können auf drei Arten beim Multi Jet Fusion Verfahren relaisiert werden.

Direkter Druck der Gewinde

Ab einer Gewindegröße von M4, besser jedoch ab M6, können Gewinde direkt gedruckt werden. Insbesondere bei kleineren Größen (M4 – M8) ist die Stabilität jedoch limitiert.

Bei großen oder sehr großen Gewinden, bspw. M10 oder größer ist ein Direktdruck hingegen eine praktikable Alternative mit einer guten Stabilität.

Nachschneiden von Gewinden

Das Material PA12 weist beim Multi Jet Fusion Verfahren eine geringe Porosität auf. Der Druck eines Kernloches mit anschließendem Nachschneiden des Gewindes ist daher eine zielführende Methode.

Zu beachten ist jedoch, dass PA12 eher weich ist. Daher sind auch nachgeschnittene Gewinde nicht für hohe Belastungen bzw. für eine hohe Anzahl von Schraubzyklen geeignet.

Gewindeeinsätze

Gewindeeinsätze sind die Methode der Wahl, wenn Gewinde mit hoher Belastbarkeit notwendig sind. Wie beim Gewindeschneiden kann auch hierbei das Kernloch direkt mitgedruckt werden, sodass ein nachträglicher Einsatz der Buchsen vereinfacht wird.

Neben „klassischen“ Gewindeeinsätzen können auch Helicoils eingesetzt werden. Die Belastbarkeit ist etwas geringer als bei konventionellen Einsätzen, jedoch ist der Montageaufwand sehr gering.

Biegescharniere und Filmscharniere

Aufgrund der Flexibilität von Polyamid 12 können mit dem Multi Jet Fusion Verfahren Film- oder Biegescharniere produziert werden. Die Wandstärke sollte dabei zwischen 0,5 und 1,5 mm gewählt werden, je nach Länge des Scharniers.

Das erzeugte Material Polyamid 12 ist weitgehend isotrop, folglich sind die Scharniere stabil und weißen eine lange Lebensdauer auf.

3.2 Kostensenkung

Volumen-Reduktion

Die wesentlichen Preisfaktoren beim MJF-Verfahren sind der Materialeinsatz und der in der Maschine eingenommene Raum („Maschinenvolumen“ – siehe nächster Punkt).

Zur Reduktion des Materialvolumens können folgende Strategien angewendet werden:

  • Entfernen überflüssiger Elemente: Strukturen, welche nicht zwingend notwendig sind, können entfernt werden. Häufig werden Kunststoffteile für Guss- oder spanabhebende Verfahren konzipiert und enthalten Flächen, welche beim 3D-Druck nicht erforderlich sind. Die durch das Entfernen dieser Flächen entstehenden Geometrien mit hoher Komplexität, wie bspw. Hinterschneidungen oder Freiflächen, können mit dem 3D-Druck problemfrei umgesetzt werden.
  • Aushöhlen massiver Strukturen: Ab einer Wandstärke von 20 mm empfehlen wir das Modell auszuhöhlen. Sie haben dabei folgende Optionen:
    • Aushöhlen mit Öffnung („Escape Hole“ – siehe Abschnitt 2). Es wird überschüssiges Material aus dem Hohlraum entfernt.
    • Aushöhlen ohne Öffnung: überschüssiges Material verbleibt im Innenraum.
    • Aushöhlen mit Gitternetzstruktur: Es verbleibt Material im Innenraum, zusätzlich werden Stützstrukturen eingezogen, die dem Innenraum zusätzliche Stabilität verleihen. Die Gitternetzstruktur kann auf Ihren Wunsch durch uns eingefügt werden.
  • Topologieoptimierung: Siehe vorheriger Abschnitt (3.1)

Reduktion Maschinenvolumen

Der Bauraum im Multi Jet Fusion Verfahren kann vollständig mit Bauteilen gefüllt werden. Typischerweise sind dies zwischen 50 und 250 Stück.

Je sperriger ein Bauteil ist, desto mehr Platz nimmt es weg. Ungenutzter Platz ist teuer, dadurch erhöht sich der Preis für das Bauteil entsprechend.

Zur Reduktion des Preises empfiehlt es sich, sperrige Strukturen, sofern möglich, entweder ganz zu entfernen, oder sie separat zu drucken.

Zusammenfügen komplexer Baugruppen zu einem Bauteil

Der 3D-Druck bietet die Möglichkeit, die Anzahl der benötigten Bauteile in einer Baugruppe zu reduzieren. Dadurch können sowohl Gewicht als auch Kosten gespart werden. Dies geschieht, indem benachbarte Bauteile miteinander verschmolzen werden. Das ist allerdings nur möglich, wenn die Bauteile aus demselben Material hergestellt werden können und sie nicht unabhängig voneinander beweglich sein sollen oder einzeln entnehmbar sein sollen. Durch diesen Prozess wird die Anzahl der Bauteile in einer Baugruppe reduziert und der Fertigungsaufwand folglich deutlich verringert.

Kostenoptimierung von Kleinteilen

Der wesentliche Kostentreiber bei Kleinteilen ist das manuelle Handling. Aufgrund des häufig geringen Materialverbrauches (häufig < 1 g), ist dieser vernachlässigbar.

Um den Handling-Aufwand zu reduzieren und somit die Kosten zu senken, können die Werkstücke miteinander verbunden werden oder in Gitterboxen „verpackt“ werden. Mehr Hinweise dazu finden Sie auf unserer Seite: Kostenoptimierung von Kleinteilen für den 3D-Druck.


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Über 3Faktur: 3Faktur ist ein 3D-Druck-Dienstleister. Wir sind Spezialisten im 3D-Druck von Kunststoffobjekten für das Rapid Prototyping (geringe Stückzahlen) und die Additive Fertigung von Kleinserien (Rapid Manufacturing). Kontaktieren Sie uns.