12. September 2017

FDM - Fertigungsgerechtes Design

Für 3D-Druck-Modelle sollten die Regeln der additiven Fertigung berücksichtigt werden, um Frust und Ärger zu vermeiden. Schon die Ausrichtung auf der Fertigungs-Ebene (X/Y) und Fertigungs-Richtung (Z) hat einen großen Einfluss auf Zugfestigkeit und Oberflächenqualität. Das gilt gerade für den FDM-/FFF-Druck, der im privaten Bereich eine hohe Akzeptanz gefunden hat.

Darauf sollten Sie achten
Geometrische Freiheit: Trotz der gestalterischen Freiheit kann nicht ins »Freie« gedruckt werden. Überhänge müssen zum Beispiel unterstütz werden. Und wie der Name es schon sagt, werden dazu Stützstrukturen (manchmal spricht man auch von Support) mit dem Bauteil gedruckt. Das bedeutet mehr Material und mehr Druckzeit. Durch richtiges Positionieren im Bauraum des Druckers kann Stützmaterial gespart oder ganz vermieden werden. Schräge Flächen ≤ 44° kommen ohne Support aus. Wenn es das Bauteil zulässt, trenne ich das Design in mehrere Teile auf, und klebe es nach dem Druck zusammen (Welcher Kleber für PLA). 

Zug- und Druckkräfte: FDM-/FFF-Druck besteht vereinfacht gesagt, aus geschmolzenem Kunststoff in Drahtform. In der X-/Y-Achse wird der Kunststofffaden auf der Druckplatte abgelegt. Das Bauteil wird dann in der Z-Achse in die Höhe gebaut. Die Zug- und Druckkräfte sind daher in X/Y (Extruder Bewegung) am höchsten. Der Unterschied von der X-/Y-Achse zur Z-Achse (Drucktisch Bewegung) kann bis Faktor 2 reichen. Außerdem sollte dann im Modus »Solid« gedruckt werden.

Funktionsweise FDM-/FFF-Druck
Funktionsweise FDM-/FFF-Druck
Fertigungs-Ebene: X-/Y-Achse
Fertigungs-Richtung: Z-Achse
Baumodus: Bauteile lassen sich im Modus »Solid« und »Sparse« generieren. Im Modus »Solid« wird das Bauteil vollständig mit Material gefüllt. Für eine nachträgliche Bearbeitung ist dieser Modus richtig. Die Nachbearbeitung muss trotzdem vorsichtig durchgeführt werden, denn das Bauteil ist nicht so homogen wie ein Spritzgussteil. Mit »Sparse« wird ein kreuzförmiges Wabenmuster (abhängig von der Slicer-Software) gedruckt. Das bringt auch deutliche Gewichts-, Zeit- und Kostenvorteile.

Bohrungen und Gewinde: Diese können gleich mit konstruiert werden. Die Rundheit ist in der X-/Y-Achse am besten. Durchmesser unter 3 mm können mit einer Zentrierung angedeutet werden, um sie später manuell aufzubohren. Gewinde sollten auch manuell geschnitten werden. Wenn die Belastung etwas höher sein soll, verwende ich Gewindeeinsätze. Diese sind in jedem Baumarkt zu haben. Geneigte Bohrungen zur Fertigungs-Ebene sind wegen der Treppenbildung zu vermeiden. Bohrungen in Fertigungs-Richtung sind vorzuziehen.

Profilführung: Von der Genauigkeit des Druckers ist die Herstellung von Profilführungen abhängig. Sie ist aber schwierig herzustellen, da etliche Parameter zusammenspielen müssen.

Kerbspannung: Scharfe Ecken sollten vermieden werden. Kleine Radien (1 mm) reduzieren die Kerbspannung erheblich. Daher sind auch Rundgewinde dem ISO-Gewinde vorzuziehen.

Mesh-Körper: Für den 3D-Druck wird eine STL-Datei benötigt, die aus mehr oder weniger feinen Dreiecken besteht, Diese Mesh-Datei muss frei von Fehlern sein, sonst kommt es beim Drucken zu Problemen. Die Auflösung des STL-Körpers nur so hoch wie nötig, und so gering wie möglich generieren. Bei nicht ebener Geometrie wird die Kontur bei zu geringer Auflösung oft mangelhaft gedruckt.

Bauteilstärken: Kleiner als 1,5 mm sollten Wandstärken nicht haben, unabhängig von der Kontur und der Baurichtung. Bei der Konstruktion in Fertigungs-Richtung ist auch das Schichtvielfache zu berücksichtigen. Nur eine vollständiges Vielfaches der Schichthöhe kann gedruckt werden. Unvollständige Schichthöhen werden auf- oder abgerundet. Dieser Vorgang ist abhängig vom Bauteil, und nicht vorhersehbar. In der Fertigungs-Ebene ist die Spurbreite (Material-Durchmesser) zu beachten. Ist die Geometrie kleiner, wird diese einfach weggelassen.

Oberfläche: Die Oberflächenqualität ist unter anderem von der Ausrichtung im Bauraum abhängig. Runde Körper lassen sich am besten senkrecht zur X-/Y-Ebene generieren. Für die Nachbearbeitung sollte entsprechenden Matarial-Auftrag, bzw. -Abtrag eingeplant werden. Alle Kanten, die senkrecht zur Fertigungs-Ebene stehen, sollten am besten mit einem Radius von 1 mm gefertigt werden.

Baugruppe: Spaltmaße kleiner als 0,3 mm, unabhängig von der Lage im Bauraum, sind zu vermeiden.

Maßgenauigkeit
Die Gesamtmaße der Bauteilgeometrien in Fertigungsrichtung sind abhängig von der gewählten Schichtdicke und der daraus resultierende Schichtmenge. Nur vollständige Schichtmengen können korrekt gefertigt werden. Andernfalls werden die Maße auf- oder abgerundet. Ein 10 mm dicker Würfel benötigt 100 Schichten bei einer Schichtdicke von 0,1 mm. Bei 0,3 mm wären das 33,333 Schichten. Der Würfel wird dann eine Höhe 9,9 mm bei 33 Schichten oder 10,2 mm bei 34 Schichten haben.

Schichtmenge
Schichtmenge
In der Fertigungs-Ebene wird das Gesamtmaß von der Materialspur (Extrusionsbreite) beeinflusst. Kleinere Strukturen als die Materialspur sind nicht machbar, und werden einfach ausgelassen.

Materialsprur und Spurbreite
Materialsprur und Spurbreite
Filigrane Bauteile unterliegen noch einer weiteren Einschränkung. Durch den permanenten Richtungswechsel des Druckkopfs kommt es zu leichten, oft nicht wahrzunehmende Bewegungen des 3D-Druckers. Diese beeinflussen ebenfalls die Qualität des Designs. Durch eine Veränderung der Lage des Bauteils im Bauraum kann eine dadurch »erzwungen« Stützstruktur eventuell stabilisierend helfen.

Materialien unterliegen bei der Abkühlung einer gewissen  Schrumpfung. Zum Beispiel beträgt der Faktor für ABS etwa 8% und für PLA nur etwa 2%. Diese Schrumpfung beeinflusst somit ebenfalls die Maßgenauigkeit. Sie lässt sich nur schwer vorhersagen und beeinflussen.

Bauteil drucken
Ein guter 3D-Druck braucht ein korrektes Mesh. Für die Vorbereitung, Prüfung und Reparatur des Mesh gibt es hier ein paar Tips und Tricks.

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