FDM Konstruktionsrichtlinien

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Posted 02. August 2021


FDM Konstruktionsrichtlinien

Das Fused Deposition Modeling Verfahren zeichnet sich besonders durch geringe Anlagenkosten und gute Modellstabilität aus. Bei diesem FDM-Verfahren wird ein Kunststoffmaterial in drahtform durch eine heiße Düse geführt und aufgeschmolzen. Das flüssige bzw. teigige Material wird anschließend geometrisch bestimmt, in Schichten auf eine Druckplattform aufgetragen und härtet dort aus. Schichtweise entsteht so ein 3D-Modell.

Bei der Konstruktion bzw. beim 3D-Druck mittels FDM ist zunächst jedoch immer auf die Konstruktionsmethodik zu achten. Denn eine 3D-Druck gerechte Konstruktion beginnt im Kopf. Bereits im Konstruktionsprozess kann man grundlegende Dinge beim FDM-3D-Druck falsch umsetzen. Um das zu vermeiden sind nachfolgend einige spezielle FDM Konstruktionsrichtlinien zusammengetragen.


Wandstärke

  • Mindestwandstärke hängt vom Durchmesser der Filamentdüse ab
  • eine gute Wandkonstruktion sollte auch immer ein Vielfaches des Düsendurchmessers aufweisen (Düse = 0,4 mm -- Wandstärke = 0,8; 1,2; 1,6;...)
  • allgemein sind Wandstärken unter 1,5 mm jedoch ungünstig und zu vermeiden


Bohrungen

  • Bohrungen sollten einen Mindestdurchmesser von 2 mm aufweisen
  • kleinere Bohrungen nur mittels Zentrierung oder Senkung andeuten und später aufbohren
  • Bohrlöcher ca. 0,1 - 0,75 mm größer konstruieren als eigentlich notwendig (abhängig von der verwendeten Düse)
  • STL-Auflösung möglichst hoch einstellen
  • weitere Tipps sind in den allgemeinen Konstruktionsrichtlinien zu finden

Löcher werden vom Slicer in der Mitte der gedruckten Bahnkurve berechnet. Eine 0,4 mm Düse legt, ideal betrachtet, auch eine 0,4 mm Bahn auf der Unterlage ab. Diese steht dann zur Hälfte, also 0,2 mm über den Lochkreis hinaus. Dies passiert beidseitig - die Bohrung wird also um 0,4 mm kleiner.

Auch die Qualität der STL-Datei beeinflusst die Bohrungen. Bohrungsränder werden in Dreiecke aufgeteilt. Von Oben betrachtet liegen dann die Spitzen der Dreicke auf dem Durchmesser, die Linien gehen durch das Innere der Bohrung. Bei geringer STL-Auflösung wird das Bohrloch dann noch kleiner. Daher sollten Innenkonturen immer so gut wie möglich aufgelöst werden.


Toleranzen

  • verfahrensbedingte Toleranzen von ca. ± 0,5 % sind zu berücksichtigen
  • die Mindesttoleranzen betragen aber immer ± 0,2 mm
  • Längentoleranzen für Nennmaße (ungefähre Richtwerte):
    • 0               -  6 mm:  ± 0,5 mm
    • 6              - 30 mm:  ± 1,0 mm
    • 30          - 120 mm:  ± 1,5 mm
    • 120        - 400 mm:  ± 2,5 mm
    • 400      - 1000 mm:  ± 4,0 mm
    • 1000    - 2000 mm:  ± 6,0 mm


Bewegliche Teile

  • zwischen den einzelnen Teilen und Flächen sollten mindestens 0,5 mm Abstand vorgesehen werden
  • umlaufende Spalte gleichmäßig auslegen
  • STL-Auflösung möglichst hoch wählen
  • Düsendurchmesser bei Spaltberechnung miteinbeziehen
  • Nachbearbeitung u. U. miteinplanen

Bewegliche Teile mittels FDM-Druck herzustellen ist möglich, auch sehr komplexe Strukturen sind realisierbar. Aber ohne eine mechanische Nachbearbeitung ist meist kein bewegliches Bauteil funktionsfähig.

Das Video von 3dprintingsystems zeigt im Zeitraffer sehr gut, welcher Aufwand nach dem Druck zum Teil noch auftritt, um die eigentliche Funktion zu ermöglichen.


Erhabene & Eingelassene Flächen

  • erhabene Beschriftungen und Details mindestens 0,5 - 2,5 mm Wandstärke und 0,5 - 1 mm Höhe
  • bei eingelassenen Details 1 mm Strichstärke und mindestens 1 mm Tiefe
  • Beschriftungen werden empfohlen mit Schriftarten ohne Serifen


Supportstrukturen

  • Stützstrukturen möglichst vermeiden
  • Überhänge vermeiden, Seitenflächen und Schrägen mit einem Winkel > 45° zum Druckbett ausrichten
  • Zugänglichkeit von Hohlräumen und Engstellen sicherstellen, um Support entfernen zu können
  • Modelle ggf. teilen, um Stützkonstruktionen zu vermeiden


Stabilität und Bauteilausrichtung

  • die Schichtausrichtung wirkt sich auf die Bauteilstabilität aus
  • eine funktionsorientierte Bauteilausrichtung führt zu höheren Belastbarkeiten
  • Ausrichtung in spätere Belastungsrichtung


Bauteilverzug

  • ungleichmäßige Verfestigung von Bauteilschichten führt zu Spannungen und Verzug
  • lange und flächige Strukturen eher aufrecht Drucken


Oberflächenbeschaffenheit

  • entfernte Stützstrukturen hinterlassen sichtbare Stellen auf der Bauteiloberfläche
  • der schichtweise Aufbau resultiert in einer treppen- oder terrassenartigen Oberfläche
  • Oberflächen hoher Güte sollten vom Druckbett abgewandt und in geeigneter Ausrichtung vorgesehen werden


Kontakt zum Druckbett

  • ist die Fläche zwischen Modell und Druckbett zu gering, sinkt die Bauteilstabilität mit steigendem Druckfortschritt
  • das führt zu einer geringen Druckqualität und meist zum Abbruch des Bauprozesses
  • Änderungen an der Konstruktion, der Modellausrichtung und am Einsatz von Stützstrukturen verbessern das Ergebnis


Datenformat

  • STL-Datei möglichst an die Komplexität des Modells anpassen
  • Modellexport aus dem CAD-System möglichst fein einstellen
  • erforderlich ist häufig ein geschlossenes Solid und wasserdichtes Volumenmodell