Kunststoff-3D-Druck
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Kunststoff-3D-Druck
Überblick
Die Konstruktionsrichtlinien für den 3D-Druck betreffen die spezifische Gestaltung der Bauteile, die für eine erfolgreiche Produktion unerlässlich ist. Dazu gehören Merkmale wie minimale Wandstärken, Kanäle, Bohrungen und Anforderungen an Hohlräume. Diese Faktoren müssen berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass das Bauteil druckbar und funktional ist.
Der Kunststoff-3D-Druck bietet im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren, wie dem Spritzguss, eine größere Gestaltungsfreiheit und weniger Beschränkungen in Bezug auf die Konstruktion. Dies gilt insbesondere für pulverbettbasierte 3D-Druckverfahren wie Multi Jet Fusion, bei denen praktisch jedes Design realisierbar ist.
Selbst Kunststoffteile, die ursprünglich für den Spritzguss oder spanabhebende Verfahren optimiert wurden, können in der Regel problemlos mit dem Multi Jet Fusion-Verfahren hergestellt werden. Dennoch ist es ratsam, insbesondere bei größeren Stückzahlen, eine gezielte Optimierung für den 3D-Druck durchzuführen, auch bekannt als "Design for Additive Manufacturing" (DFAM).
Konstruktionsrichtlinien
Bevor Sie mit dem 3D-Druck beginnen können, benötigen Sie ein digitales Modell Ihres gewünschten Objekts. Diese Modelle werden typischerweise mithilfe von CAD- oder 3D-Design-Software erstellt oder durch 3D-Scans erzeugt. Gängige Konstruktionsprogramme wie Inventor, Fusion360 oder Solidworks ermöglichen normalerweise einen problemlosen Export in Standardformate wie STP oder STL. Für eine reibungslose Verarbeitung sind in der Regel keine weiteren Überprüfungen erforderlich. Bei älteren Softwareversionen, weniger verbreiteten Konstruktionsprogrammen, Anwendungen im Bereich 3D-Design oder Architektur sowie bei Verwendung von 3D-Scans ist es jedoch ratsam, die hier aufgeführten Anforderungen zu beachten.
Der Farb-3D-Druck erfordert neben dem 3D-Modell zusätzliche Informationen zur Textur oder Farbgebung, um das gewünschte Farbergebnis zu erzielen. Die Dateiformate OBJ, 3MF oder VRML sind in der Lage, diese zusätzlichen Anforderungen zu erfüllen.
Für den 3D-Druck werden spezielle Dateiformate benötigt, um präzise Modelle zu erstellen. Die gängigsten Formate sind:
Bitte beachten Sie: Basierend auf Bildern, Zeichnungen oder Fotos können wir leider keine 3D-Druckaufträge annehmen oder Angebote erstellen.
Um ein Objekt 3D-drucken zu können, muss es als geschlossener Volumenkörper vorliegen, ohne jegliche Löcher oder fehlende Polygone. Stellen Sie es sich so vor: Wenn Sie versuchen würden, das Modell mit Wasser zu füllen, dürfte nirgends Wasser austreten.
In einigen Fällen können Löcher oder Oberflächenfehler durch bestimmte (Umrechnungs-)Operationen in Design-Software versehentlich entstehen, beispielsweise durch boolesche Operationen.
Kleinere Fehler werden von uns behoben, aber größere Fehler oder Lücken in der Oberfläche können dazu führen, dass die Druckersoftware das Modell nicht eindeutig interpretieren kann. Dies äußert sich darin, dass Teile des Objekts möglicherweise fehlen oder unerwünschte Strukturen gedruckt werden.
Um die Wasserdichtigkeit Ihres 3D-Modells zu überprüfen, können Sie Tools in 3D-Design-Programmen verwenden. Zum Beispiel:
In Blender, einem kostenlosen 3D-Programm, können Sie das Tool "Solid Check" in der 3D-Druck-Toolbox verwenden.
Mit Meshmixer, einem weiteren kostenlosen Programm, können Sie Ihr 3D-Modell auf Wasserdichtigkeit überprüfen. Hier finden Sie Anleitungen dazu in externen Links.
Volumenkörper sind entscheidend für den 3D-Druck. 3D-Modelle, die nur aus Flächen bestehen, sind nicht druckbar und werden häufig für Visualisierungszwecke erstellt. Solche Modelle sind häufig in 3D-Datenbanken im Internet zu finden.
Das Problem bei flächenbasierten Modellen ist, dass sie keine Wandstärke haben (Wandstärke = 0). Für den 3D-Druck werden jedoch grundsätzlich Volumenkörper benötigt, was bedeutet, dass die Wände des Objekts eine Wandstärke größer als 0 haben müssen. Bei der Erstellung von 3D-Modellen müssen Sie auch die Mindestwandstärken beachten, da zu dünne Wände ein Bruchrisiko darstellen.
Für den HP Multi Jet Fusion-Druck können Sie sich an folgenden Wandstärken orientieren:
Überschneidungen von Polygonen in 3D-Modellen können eine Fehlerquelle im 3D-Druck darstellen. Diese Überschneidungen treten auf, wenn zwei Objekte denselben Raum im 3D-Modell einnehmen. Oft führt dies in der 3D-Drucksoftware zu Missverständnissen und fehlerhaften Drucken.
Überschneidungen können auftreten, wenn Sie beim Erstellen des 3D-Modells zwei eigenständige Körper miteinander kombinieren oder gruppieren. Das bloße Gruppieren reicht oft nicht aus, um einen fehlerfreien 3D-Druck zu gewährleisten. Boolesche Operationen können dazu verwendet werden, diese Körper zu einem einzigen Objekt zu vereinen, um Überschneidungen zu verhindern.
Hier finden Sie eine Anleitung von Autodesk/Netfabb (in Englisch), wie Sie Überschneidungen in 3D-Modellen beseitigen können.
Die Ausrichtung der Flächen in 3D-Modellen ist von großer Bedeutung, da die Polygone in Innen- und Außenseiten unterteilt sind. Dies ist notwendig, um das Volumen des Objekts korrekt zu bestimmen. Allerdings kann es aufgrund von Softwarefehlern dazu kommen, dass Flächen falsch orientiert werden.
Die 3D-Druckvorbereitungsprogramme versuchen, solche Fehler zu korrigieren. Dabei kann es jedoch zu Fehlinterpretationen kommen, die dazu führen, dass Elemente verschwinden oder Artefakte generiert werden. Daher ist es ratsam, die Ausrichtung der Flächen zu überprüfen und erkannte Fehler zu korrigieren.
Hier finden Sie kurze Anleitungen, wie Sie dies unter anderem mit dem Programm Netfabb durchführen können.
Konstruktionsrichtlinien
Für eine erfolgreiche additive Fertigung mit dem Multi Jet Fusion Verfahren sind die grundlegenden konstruktiven Anforderungen recht einfach. Es ist besonders wichtig, auf Wandstärken, Kanäle und genaue Abmessungen zu achten.
Sobald diese Anforderungen erfüllt sind, steht der Herstellung Ihres Objekts nichts mehr im Weg. Um jedoch das bestmögliche Ergebnis zu erzielen, sollten Sie auch die Ratschläge in Abschnitt 3 beachten, die sich auf die Optimierung der Konstruktion für den 3D-Druck beziehen.
Minimale Wandstärken im 3D-Druck
Im 3D-Druck beziehen wir uns auf die Dicke der Bauteilstruktur als Wandstärke. Es gibt verschiedene Arten von Wänden, darunter gestützte Wände, ungestützte Wände und Stege. Sie können die Wandstärken mit Tools wie Meshmixer überprüfen (Bereich: Analyse -> Option: Dicke oder Messung).
Verschiedene Wandarten:
Auswirkungen von zu geringen Wandstärken
Im 3D-Druckverfahren können Objekte hohl gedruckt werden, was Material, Gewicht und Kosten spart. Bei pulverbettbasierten 3D-Druckverfahren verbleibt jedoch Materialpulver in den Hohlräumen, das entfernt werden muss. Dafür sind sogenannte "Escape Holes" im 3D-Modell erforderlich.
Hier sind einige Hinweise zum Erstellen von Escape Holes:
Bitte beachten Sie: Bei komplexen Hohlraumgeometrien oder bei Öffnungen kleiner als 5 mm (wobei ein Mindestdurchmesser von 2 mm erforderlich ist) besteht das Risiko, dass sich das Material in Ecken, an Winkeln oder an Kurven ansammelt und nicht mehr entfernt werden kann. Dies kann im Laufe der Zeit zu Funktionsstörungen des Bauteils führen, da das Material durch Trocknung oder Vibrationen freigesetzt werden kann.
Design-Empfehlungen:
Eine Öffnung: mindestens 5 mm Durchmesser
Zwei oder mehr Öffnungen: Ein Durchmesser von 5 mm wird empfohlen, mindestens jedoch 2 mm Durchmesser.
In der additiven Fertigung mit pulverbettbasierten 3D-Druckverfahren können Sie Kanäle oder Sacklöcher direkt in massiven Strukturen drucken. Ein Kanal ist eine Aussparung mit Ein- und Ausgang, während ein Sackloch nur eine Öffnung hat.
Herausforderung:
Die direkte Herstellung von Kanälen oder Sacklöchern führt oft dazu, dass überschüssiges Materialpulver aus diesen Öffnungen entfernt werden muss. Bei gekrümmten oder komplexen Kanälen kann dies schwierig sein, da der Luftstrahl zur Entfernung des Materials möglicherweise nicht den gesamten Kanal erreicht oder sich das Material in Biegungen ansammelt und den Kanal verstopft.
Lösungsansatz:
Bei geraden Sacklöchern oder Kanälen kann eine einfache Nachbearbeitung durch Bohren durchgeführt werden, um überschüssiges Material zuverlässig zu entfernen. Der Durchmesser des Bohrers sollte mindestens 2 mm betragen.
Bei gekrümmten Kanälen ist es ratsam, den Durchmesser so groß wie möglich zu wählen. Eine alternative Methode besteht darin, eine Art Draht oder Kette in den Kanal zu integrieren. Dieses Element wird während der Reinigung entfernt, wodurch ein Großteil des überschüssigen Materials im Kanal gelöst und entfernt wird. Das restliche Material kann dann leichter aus dem Kanal entfernt werden.
Der Draht sollte einen Mindestdurchmesser von 1 mm haben und mindestens 0,5 mm von der Kanalwand entfernt sein. Bei größeren Kanälen sollte der Abstand entsprechend größer sein.
Verschiedene 3D-Programme verwenden unterschiedliche Einheitensysteme, wie Millimeter (mm), Zentimeter (cm), Zoll (inch) oder Meter (m). In Deutschland ist die Verwendung von Millimetern am gängigsten, während in angelsächsischen Ländern oft Zoll verwendet wird. Im Architekturbereich kommt auch häufig das Meter-Maß vor. STP-Dateien enthalten normalerweise Informationen zur verwendeten Maßeinheit, während Mesh-Dateien wie das STL-Format diese Information nicht enthalten.
Herausforderungen:
Verwechslungen bei den Maßeinheiten sind ein wiederkehrendes Problem. Oft treten Fehler bei der Umrechnung zwischen Zentimetern und Millimetern oder zwischen Millimetern und Zoll auf. Skalierungsfehler können insbesondere bei verkleinerten Modellen von großen Bauteilen oder Anlagen auftreten.
Lösungsvorschläge:
Angebote: Unsere Angebote enthalten die Abmessungen des Objekts. Wir empfehlen, diese immer zu überprüfen, um sicherzustellen, dass die richtige Maßeinheit verwendet wurde.
Direktbestellung: Bei einer Direktbestellung sind die Abmessungen im Bestellformular ersichtlich. Stellen Sie sicher, dass die gewünschten Einheiten korrekt angegeben sind.
Allgemein: Im Zweifelsfall können Sie die Abmessungen des Objekts im Kommentarfeld (bei Bestellungen über unser System), per E-Mail oder auf Ihrem Bestellformular angeben, um Missverständnisse in Bezug auf Maßeinheiten zu vermeiden.
Es ist möglich, Markierungen oder Schriftzeichen auf 3D-gedruckten Objekten anzubringen, aber dabei müssen bestimmte Designrichtlinien beachtet werden. Andernfalls können Teile des Objekts miteinander verschmelzen oder brechen, und die Lesbarkeit von 3D-gedruckten Schriften kann beeinträchtigt sein.
Optimale Tiefe einer Schrift: Die optimale Tiefe einer Schrift beträgt 1 mm, um eine klare und gleichmäßige Darstellung zu gewährleisten.
Optimale Höhe einer Schrift: Um die Lesbarkeit sicherzustellen, sollte die optimale Höhe einer Schrift ebenfalls 1 mm betragen.
Wenn Sie 3D-Modelle so gestalten möchten, dass sie später fest zusammengefügt werden können, beachten Sie bitte die folgenden Designrichtlinien. Dies ist besonders nützlich für sehr große Objekte, die nicht in einen Bauraum passen, oder wenn Teile während des 3D-Drucks zusammengefügt werden sollen.
Mindestabstand zwischen den Objekten: Stellen Sie sicher, dass der Mindestabstand zwischen den zu verbindenden Objekten mindestens 0,4 mm beträgt, um eine reibungslose Montage zu ermöglichen.
Allgemeine Toleranz: Berücksichtigen Sie eine allgemeine Toleranz von ± 0,3 mm, um sicherzustellen, dass die Teile gut zusammenpassen.
Bei zusammengedruckten Objekten: Wenn Sie Teile direkt während des 3D-Drucks zusammenfügen möchten, sollte der Mindestabstand 0,7 mm betragen, um eine sichere Verbindung zu gewährleisten.
Bei Wandstärken von über 50 mm: Für besonders dicke Teile sollten Sie einen etwas größeren Abstand vorsehen, um eine stabilere Verbindung sicherzustellen.
Zusätzlich beachten Sie die folgenden Empfehlungen zum Zusammenkleben von PA 12 Bauteilen:
Konstruktionsrichtlinien
Nachdem Sie sicherstellen, dass alle Anforderungen aus Abschnitt 1 und 2 erfüllt sind, können Sie mit dem 3D-Druck Ihres Objekts beginnen. Allerdings führt dieser Schritt nicht immer zum gewünschten Ergebnis. In diesem Abschnitt finden Sie wertvolle Hinweise zur Optimierung der Konstruktion für den 3D-Druck, insbesondere wenn Sie höhere Stückzahlen produzieren oder das Bauteil als funktionales Teil einsetzen möchten.
Der 3D-Druck kann bei großen oder massiven Objekten zu Problemen wie Einsacken oder Verzug führen. Diese Herausforderungen können die Qualität des gedruckten Teils beeinträchtigen. Hier sind einige Empfehlungen zur Bewältigung dieser Probleme:
Einsacken: Große und massive Vollkörper können dazu neigen, im Zentrum einzusacken oder eine unebene Oberfläche aufzuweisen. Dies liegt an der Verteilung von Wärme während des Druckprozesses. Um dieses Problem zu minimieren, können Sie massive Teile aushöhlen, sofern es die Statik erlaubt. Bei einer Wandstärke von 20 mm oder mehr ist das Aushöhlen empfehlenswert. Sie können auch interne Stützstrukturen hinzufügen, um die Stabilität zu erhöhen. Die Wahl der Struktur hängt von der Geometrie und der Belastungsrichtung ab. Einige Beispiele sind Gitternetze, Waben, Knochenstrukturen, Fachwerke und Bambusmuster. Beachten Sie, dass Sie Escape Holes (wie im Abschnitt 2 - Konstruktionsrichtlinien beschrieben) hinzufügen oder weglassen können, je nachdem, ob Sie das Pulver im Inneren belassen möchten. Wenn Sie das Pulver behalten möchten, informieren Sie den Druckdienstleister ausdrücklich darüber, da vollständig umschlossene Hohlräume in der Druckvorbereitung normalerweise automatisch geschlossen werden.
Verzug: Große, dünnwandige Strukturen neigen zum Verzug, da sie unterschiedlich schnell abkühlen. Dies kann zu Verformungen des gedruckten Objekts führen. Um Verzug zu minimieren, ist es wichtig, die optimale Position im Druckraum zu wählen und die Abkühlphasen zu verlängern. Beachten Sie jedoch, dass Verzug bei solchen Strukturen nicht vollständig vermieden werden kann. Die beste Praxis besteht darin, großflächige, dünnwandige Strukturen zu vermeiden und die Wandstärke zu erhöhen, wo immer möglich.
Im 3D-Druckverfahren können Objekte hohl gedruckt werden, was Material, Gewicht und Kosten spart. Bei pulverbettbasierten 3D-Druckverfahren verbleibt jedoch Materialpulver in den Hohlräumen, das entfernt werden muss. Dafür sind sogenannte "Escape Holes" im 3D-Modell erforderlich.
Hier sind einige Hinweise zum Erstellen von Escape Holes:
Bitte beachten Sie: Bei komplexen Hohlraumgeometrien oder bei Öffnungen kleiner als 5 mm (wobei ein Mindestdurchmesser von 2 mm erforderlich ist) besteht das Risiko, dass sich das Material in Ecken, an Winkeln oder an Kurven ansammelt und nicht mehr entfernt werden kann. Dies kann im Laufe der Zeit zu Funktionsstörungen des Bauteils führen, da das Material durch Trocknung oder Vibrationen freigesetzt werden kann.
Design-Empfehlungen:
Eine Öffnung: mindestens 5 mm Durchmesser
Zwei oder mehr Öffnungen: Ein Durchmesser von 5 mm wird empfohlen, mindestens jedoch 2 mm Durchmesser.
Auch wir haben Ecken & Kanten! Im 3D-Druck werden Ecken und Kanten normalerweise abgerundet, und zu scharfe Kanten können leicht ausbrechen.
Herausforderung:
Besonders flache Kanten, die gegen null gehen, erfüllen oft nicht die Mindestanforderungen an die Wandstärke. Das kann dazu führen, dass die Kanten während des Druckens oder der Nachbearbeitung ausbrechen.
Gestaltungsempfehlungen:
Bei der Konstruktion sollten Sie extrem scharfe Winkel vermeiden oder von vornherein abgerundete Kanten einplanen. Durch eine kluge Ausrichtung des Objekts im Druckraum lässt sich die Schärfe noch weiter optimieren. Der empfohlene minimale Radius beträgt 0,4 mm.
Bei der Strukturoptimierung geht es darum, die ideale Struktur, Form und Anordnung der Elemente zu ermitteln und umzusetzen. Das Ziel besteht darin, die Konstruktion so anzupassen, dass die gewünschte Funktionalität mit minimalstem Materialeinsatz erreicht wird.
Dies führt oft zu erheblicher Gewichtsreduzierung und damit zu einer Kostenersparnis. Dies wird durch die Entfernung unnötiger (nicht beanspruchter) Flächen erreicht. Hierfür stehen verschiedene kommerzielle Softwarelösungen zur Verfügung, darunter Abaqus und Optistruct. Verschiedene Methoden wie die SIMP-Methode (solid isotropic material penalization), die Bodenstrukturmethode und die Homogenisierungsmethode werden angewendet.
Bohrungen sind bei vielen Bauteilen von großer Bedeutung. Die Frage ist, ob sie nachträglich hinzugefügt werden sollen oder direkt im 3D-Druckverfahren erstellt werden. Es kann vorkommen, dass nachträglich gebohrte Löcher nicht perfekt gerade sind oder dass 3D-gedruckte Löcher verschlossen werden.
Die Druckrichtung spielt beim direkten 3D-Druck von Bohrungen eine entscheidende Rolle:
Die Ausrichtung eines Bauteils im 3D-Drucker ist variabel. Wenn Sie wichtige Bohrungsausrichtungen haben, teilen Sie uns dies mit, damit wir das Bauteil entsprechend positionieren können. Denken Sie bei der Konstruktion des 3D-Modells an die Einschränkungen bezüglich der Bohrungen, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Um das Verschließen der Bohrungen zu verhindern, stellen Sie sicher, dass der Lochdurchmesser ausreichend groß ist (Durchmesser > 0,5 mm). Bei sehr tiefen Bohrungen bedenken Sie, dass die Wände Wärme abgeben und dadurch mehr Material schmilzt als geplant. Sie können die Bohrungen manuell nachbohren oder die Konstruktion anpassen, was jedoch Erfahrung und Testaufwand erfordert. Sehr tiefe Bohrungen verengen sich zum Ende hin aufgrund der Wärmeaufnahme des Materialpulvers.
Gewinde sind essenzielle Elemente in vielen Bauteilen. Im Multi Jet Fusion Verfahren gibt es drei Ansätze zur Realisierung von Gewinden:
Dank der Flexibilität von Polyamid 12 ermöglicht das Multi Jet Fusion Verfahren die Herstellung von Film- oder Biegescharnieren. Die Wandstärke sollte je nach Scharnierlänge zwischen 0,5 und 1,5 mm liegen.
Das resultierende Material Polyamid 12 ist weitgehend isotrop, wodurch die Scharniere stabil sind und eine lange Lebensdauer aufweisen.
Konstruktionsrichtlinien
Die wesentlichen Kostenfaktoren im MJF-Verfahren sind der Materialeinsatz und der Maschinenraumbedarf (Maschinenvolumen). Zur Reduzierung des Materialverbrauchs können Sie die folgenden Strategien anwenden:
Im Multi Jet Fusion Verfahren kann der Bauraum optimal mit Bauteilen gefüllt werden, normalerweise zwischen 50 und 250 Stück.
Entfernung sperriger Strukturen: Sperrige Bauteile nehmen unnötig viel Platz ein, was die Kosten erhöht. Um den Preis zu senken, ist es ratsam, sperrige Strukturen, sofern möglich, entweder ganz zu entfernen oder separat zu drucken.
Der 3D-Druck ermöglicht die Zusammenführung von Bauteilen in einer Baugruppe, was zu Gewichts- und Kosteneinsparungen führt. Dies geschieht durch das Verschmelzen benachbarter Bauteile. Dies ist nur möglich, wenn die Bauteile aus demselben Material bestehen und keine unabhängige Beweglichkeit oder Einzelnutzung erforderlich ist. Durch diesen Prozess wird die Bauteilanzahl in einer Baugruppe reduziert, was den Fertigungsaufwand erheblich reduziert.
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