Posted 07. Oktober 2024

Konstruktionsrichtlinien für den 3D-Druck

Konstruktionsrichtlinien für die additive Fertigung

Für den 3D-Druck gibt es spezielle 3D-Druck Konstruktionsrichtlinien die man beachten sollte, damit ein guter Druck gelingt. Für additive Herstellungsverfahren kann und muss zum Teil auch stark von konventionellen Konstruktionsrichtlinien abgewichen werden.

Nachfolgende Punkte sind schon während der Entwicklung und Konstruktion zu berücksichtigen, um eine optimierte additive Fertigung zu ermöglichen.

Geometrische Elemente

Bohrungen

• Bohrungen im Modell erst etwas kleiner ausführen, das Loch anschließend aufbohren
• Durchgangs-, Senkbohrungen, etc. können je nach Verfahren aber auch direkt mit eingebaut werden, Bohrlöcher und Öffnungen sind dafür mit einem Aufmaß zu versehen, damit das Druckergebnis wie gewünscht ausfällt
• beim FDM-Druck sollten Bohrungen ca. 0,1 – 0,75 mm größer konstruiert werden als eigentlich notwendig
• Bohrungsdurchmesser sollten mindestens 2 mm betragen
• bei Stahl und Aluminium beträgt der Mindestdurchmesser für Löcher 1 mm
• Rundheit der Bohrung ist abhängig von der Lage im Bauraum
• horizontal verlaufende Bohrlöcher werden mehr oder weniger oval
• vertikale Bohrungsdurchmesser können sehr genau abgefahren werden
• tiefe Bohrlöcher verengen sich bei kompakter Masse in den umgebenden Bereichen
• Lösung: Bohrungen nachbohren, oder im mittleren Bereich größeren Durchmesser vorsehen

Wandstärke

• die minimale Wandstärke von 3D-Druckdateien hängt erheblich von der Düse und dem Material ab
• die Mindestwandstärke ist abhängig vom Düsendurchmesser
• weiterhin ist es vorteilhaft, bei dickeren Wandungen ein Vielfaches des Düsendurchmessers vorzusehen
• je härter das Material ist, desto geringer kann die Wandstärke des Bauteils ausfallen
• Wandungen von 0,2 mm für Metall bis 2mm für PMMA sind möglich

Ecken und Kanten

• sehr spitze Ecken und Kanten sind schwierig zu drucke
• es ist notwendig, einen minimalen Ecken- und Kantenwinkel einzuhalten
• je nach Schichtdicke kann es zu ungewollten Abstumpfungen kommen, was bei der Konstruktion zu berücksichtigen ist
• genaue Vorgaben sind aufgrund der unterschiedlichen Verfahren und Anlagen schwer festzulegen, aber allgemein gilt: je mehr Ecken eine Druckdatei hat, desto langsamer sollte gedruckt werden, da Ecken sonst u. U. nicht mehr sauber ausgeführt werden
• bedingt durch bspw. Düsendurchmesser, Pulverpartikelgröße oder Materialzusammensetzung ergeben sich abgerundete Kanten

Verrundungen

• Radien statt 90° Winkel vorsehen
• ein Radius unter 1 mm ist jedoch ungünstig
• Radien senkrecht zur Fertigungsebene ausführen, um Stufenbildung zu vermeiden

Flächen

• gewölbte Flächen sind für die Stabilität meist besser geeignet
• gewölbte Flächen sind weniger anfällig für Verzug als planare

Kanäle

• Kühlkanäle können direkt mitgedruckt werden
• Bauteilkanäle können als tragende Struktur eingesetzt werden
• der Kanalquerschnitt kann während des Verlaufs seine Form und Größe ändern
• Kanäle benötigen Strützstrukturen (pulverbasierte Fertigungsverfahren eignen sich dafür besser)

Funktionselemente

Bewegliche Bauteile, Gelenke

Bei beweglichen Bauteilen ist zunächst grundsätzlich zu beachten:

Es gibt noch keinen einheitlichen Standard bei den Druckern, darum resultieren häufig selbst bei gleichen Einstellungen an unterschiedlichen Geräten auch unterschiedliche Ergebnisse. Nur durch Ausprobieren lassen sich die richtigen Toleranzen für das eigene Gerät finden.

Allgemein benötigen bewegliche Teile einer Struktur jedoch immer einen minimalen Abstand untereinander. Zwischen den Wandungen sollten somit immer ca. 0,2 – 0,5 mm Luft bleiben, um ein verschmelzen der Bereiche zu verhindern.

• mehrteilige Gelenke in montierter Position sind mit einem Abstand von 0,5 mm zwischen den Einzelteilen zu konstruiere
• der Abstand muss an allen Seiten eingehalten werden
• spannungsoptimierte, einteilige Konstruktionen sind mehrteiligen Systemen vorzuziehen

Zusammenstecken von Einzelteilen

Auch beim Zusammenstecken von Einzelteilen müssen Abstände eingehalten werden. Ein einfaches Verbinden mit Nulltoleranz ist in den meisten Fällen aufgrund der Reibung nicht möglich.

• zwischen Passflächen sollte immer ein Abstand von 0,3 – 0,6 mm vorgesehen werden
• Abstände sind abhängig von Schichtdicke und Genauigkeit des 3D-Druckers
• alternativ Nacharbeit durch Schleifen

Elastische Elemente

• elastische Elemente können direkt in Bauteile integriert werden
• spannungsoptimierte Konstruktion beachten
• Simulationen nutzen, um Grenzen für irreversible Verformungen zu definieren

Verbindungselemente

• Gewinde sind beim Lasersintern möglich
• sehr kleine Gewinde sind problematisch, da sie nicht mehr ausreichend genau abgebildet werden können
• abhängig von der Gewindegröße sollte ein Spiel zwischen den zu verschraubenden Teilen eingeplant werden

Richtlinien für 3D-Druck Dateien

Auflösung STL-Dateien

• die Auflösung sollte so hoch wie nötig und so gering wie möglich sein
• gerade nicht ebene Konturen werden bei zu geringen Auflösungen nicht vernünftig abgebildet

Layerhöhe

• die Layerhöhe sollte immer kleiner als der verwendete Düsendurchmesser sein
• für einen optisch ansprechenden Druck sind 0,2 mm ausreichend
• um eine Treppchenbildung zu vermeiden ist 0,1 mm ein passender Wert

Druckgeschwindigkeit

• man sollte unterschiedliche Druckgeschwindigkeiten für Innen- und Außenbereiche von Außenwänden einstellen, sofern der Slicer dies unterstützt
• äußere Wände sollen langsamer gedruckt werden (20 – 40 mm/s), innere Wände schneller (40 – 60 mm/s)
• die innere Füllung lässt sich noch schneller drucken. Diese sieht man später meist nicht mehr

Quellen: