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1. Konstruktion

Vor allem bei der Konstruktion für 3D-Druckbauteile gilt es einiges zu beachten. Folgend stellen wir die wichtigsten Informationen für eine erfolgreiche 3D-Druck Konstruktion zur Verfügung.

Was muss ich bei der Konstruktion von 3D-Druckteilen berücksichtigen?

Bei der Konstruktion für 3D-Druckteile müssen einige Dinge berücksichtigt werden. Dabei unterscheidet sich das Vorgehen teilweise stark von der konventionellen Konstruktion. Folgend werden die wichtigsten Punkte aufgezeigt, welche bei der Konstruktion für den 3D-Druck (Design for Additive Manufacturing) berücksichtigt werden müssen

Toleranzen im 3D-Druck

Die 3D-Drucker drucken immer nur das, was konstruiert wurde. Was einfach klingt kann schwerwiegende Folgen haben, wenn es nicht berücksichtigt wird. Bei der Konstruktion für konventionelle Fertigungsverfahren wird grundsätzlich auf Nennmass konstruiert. Die Toleranzangaben werden dann meist auf einer Zeichnung vermerkt. Da die konventionellen Verfahren subtraktiv sind (Material wird abgetragen), wird dann bei der Fertigung jeweils zugestellt, bis die Toleranzen eingehalten sind. Dies funktioniert im 3D-Druck anders.

Im 3D-Druck wird mit einem „Slicer“ (Software zur Druckvorbereitung) die 3D-Datei in Maschinencode umgewandelt. Dieser Code enthält alle Befehle für den Drucker, wie die Mechanik angesteuert werden muss, damit schlussendlich das gewünschte Bauteil entsteht. Dabei können grundsätzlich nicht, wie mit einer Zeichnung, Toleranzen an den Drucker mitgegeben werden.

Soll also ein Würfel mit einer Kantenlänge von 10mm gedruckt werden, fährt der Druckkopf z.B bei der äussersten Kontur genau auf 10mm. Grund dafür ist, dass die 3D-Datei des Würfels genau mit  10mm konstruiert ist. Da der Drucker an sich jedoch eine gewisse Ungenauigkeit/Toleranz besitzt, wird die Kantenlänge des gedruckten Würfels z.B nicht genau 10mm, sondern 10.1mm. Wenn dieser Würfel nun in eine Öffnung von genau 10mm passen soll, funktioniert das nicht. Deshalb müssen bereits bei der Konstruktion die Toleranzen berücksichtigt werden.

Zwar gibt es in der konventionellen Konstruktion auch die weniger verbreitete Toleranzmittenkonstruktion. Dieser Ansatz funktioniert im 3D-Druck jedoch auch nicht. Vielmehr müssen die Bauteile so gezeichnet werden, dass am gedruckten Bauteil das gewünschte Mass eingehalten ist, trotz der Ungenauigkeit/Toleranz des Druckers.

Am Beispiel des Würfels bedeutet dies folgendes:

• Gewünschte Kantenlänge des gedruckten Würfels soll genau 10mm sein
• Die Ungenauigkeit/Toleranz des Druckers ist +0.1mm
• ⇒ Die 3D-Datei muss mit einer Kantenlänge von 9.9mm gezeichnet werden.

Als Faustregel kann man sagen:

Wenn ein gedrucktes Bauteil in etwas passen soll, muss das Aussenmass des Druckteils um die Toleranz der Drucktechnologie kleiner konstruiert werden. Wenn ein anderes Bauteil in ein gedrucktes Bauteil passen soll, muss das Innenmass des Druckteils um die Toleranz der Drucktechnologie grösser konstruiert werden.

Für die Drucktechnologien, die wir anbieten gelten folgende Allgemeintoleranzen:

• FDM: ±0.3%, min. ±0.3mm
• SLS, SAF und MJF: ±0.3%, min. ±0.2mm (DIN 16742-TG6)
• SLM: DIN ISO2768-1m
• SLA und DLP: ±0.2%, min. ±0.2mm
• Binder Jetting: ±0.5%, min. ±0.7 (DIN ISO2768-m)
  

Bitte berücksichtigen Sie, dass es sich hierbei wirklich nur um Allgemeintoleranzen handelt. Wenn Sie unsicher sind oder eine höhere Genauigkeit benötigen, können Sie uns jederzeit anfragen. Wir können Sie konkret zu Ihrer Anwendung beraten und somit die optimale Lösung finden.

Überhänge und Stützstrukturen und wie sie verhindert werden können

Einige der 3D-Drucktechnologien benötigen für überhängende Geometrien sogenannte Stützstrukturen. Konkret sind es folgende Technologien, die wir anbieten und Stützstrukturen anfallen:

• FDM
• SLA
• DLP
• SLM
  
  

Doch was sind Stützstrukturen, wieso werden sie benötigt und wie können sie verhindert werden? Stützstrukturen ist Material, welches beim Druck des Bauteils mit gedruckt und danach entfernt werden. Benötigt werden sie bei bestimmten Technologien, wenn überhängende Geometrien gedruckt werden müssen. Sie verhindern, dass der Drucker in der Luft druckt und das Material so ins Nichts fällt.

Bei den Pulverbettverfahren (ausser SLM) entfallen die Stützstrukturen, da überhängende Geometrien vom darunterliegenden Pulver gestützt werden.

Es ist wichtig zu wissen, dass nicht alle Überhänge gestützt werden müssen. Meistens werden Überhänge erst ab einem bestimmten Winkel kritisch. Als Faustregel kann man hier von einem Winkel von ca. 45° ausgehen.

⇒ Ist der Winkel zwischen Druckbett und Überhang kleiner wie 45° braucht es Stützstrukturen

⇒ Ist der Winkel zwischen Druckbett und Überhang grösser wie 45° braucht es keine Stützstrukturen

Für komplett horizontale Überhänge kann es hilfreich sein, diese mittels einer Fase zu eliminieren. Wir stehen Ihnen jederzeit zur Verfügung, wenn Sie Beratung oder Unterstützung benötigen. Gerne optimieren wir für Sie auch gleich Ihre Bauteile für den 3D-Druck.

Wie kann ich Bauteile für den 3D-Druck optimieren?

Im 3D-Druck sind durch das additive verarbeiten einige Dinge möglich, die mit den konventionellen Fertigungsverfahren meist nicht möglich sind. Dies eröffnet neue Möglichkeiten in der Konstruktion, welche folgend näher erläutert werden.
Gewichtsreduktion durch Leichtbau
Da im 3D-Druck Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, sind auch innenliegende Geometrien möglich. Anstatt Bauteile massiv zu drucken, können diese stattdessen mit bestimmten Strukturen gefüllt werden. Dieses Prinzip der Füllstruktur wird in der FDM standardmässig angewendet. So werden Bauteile mit dieser Technologie nie voll, sondern immer mit einem gewissen Prozentsatz an Füllstruktur gedruckt. Meist liegt dieser bei rund 15-20%. Das heisst, dass das Bauteil nur zu 15% gefüllt wird. Dabei muss jedoch nicht immer das gesamte Bauteil mit derselben Dichte oder Geometrie gefüllt werden. Es besteht die Möglichkeit, verschiedene Fülldichten und Strukturen in ein und demselben Bauteil zu drucken. Das macht vor allem Sinn, wenn bestimmte Bereiche stärker belastet oder nach dem Druck noch nachbearbeitet werden.

Dasselbe kann auch bei allen anderen Verfahren angewendet werden. Dabei ist jedoch wichtig im Hinterkopf zu behalten, dass zum Teil eine Öffnung für Pulver oder Harz berücksichtigt werden muss. Wird bei den Pulverbettverfahren keine Öffnung konstruiert, verbleibt das Pulver im Bauteil. Dies ist nicht weiter schlimm und spart dennoch Druckzeit ein. Bei den Harzverfahren sollte immer darauf geachtet werden, dass das Harz abfliessen kann.

Die Füllstrukturen können auf unterschiedliche Art und Weisen umgesetzt werden. Die meisten Programme für die Druckvorbereitung ermöglichen das einbringen einer Füllstruktur. Somit müssen Sie uns einfach mitteilen, wenn die Bauteile nicht voll gedruckt werden sollen. Selbstverständlich können diese Strukturen aber auch bereits bei der Konstruktion des Bauteils berücksichtigt werden. Einige CAD Programme besitzen ebenfalls Funktionen, die das Konstruieren von solchen Strukturen erleichtern. Sollten Sie zu diesem Thema fragen haben oder Unterstützung benötigen, stehen wir Ihnen jederzeit zur Verfügung.

Komplexe Geometrien

Ein grosser Vorteil des 3D-Drucks ist, dass damit komplexe Geometrien möglich sind, die bei konventionellen Fertigungsverfahren nicht umgesetzt werden können. Ein Beispiel sind die zuvor beschriebenen innenliegenden Füllstrukturen. Folgend werden weitere Beispiele komplexer Geometrien beschrieben, die meist nur im 3D-Druck umgesetzt werden können:

• Bionische Strukturen: Wenn sowohl ein geringes Gewicht, als auch hohe Festigkeit gefragt ist, sind sogenannte bionische Strukturen ein spannender Lösungsansatz. Bionische Strukturen sind von der Natur inspiriert und werden grundsätzlich computergeneriert. Dabei gibt es zwei Ansätze, die Topologieoptimierung oder das Generative Design. Beim ersteren wird ein bestehendes Bauteil optimiert und überschüssiges Material entfernt. Letzteres erstellt von Grund auf ein neues Bauteil, welches bereits den Belastungen entsprechend optimiert ist.
  Aufgrund der Komplexität der daraus entstehenden Geometrien können diese meist nur additiv gefertigt werden. Der Grundgedanke dabei ist, dass ein Bauteil nur dort Material hat, wo es aufgrund der Belastungen auch benötigt wird. Dies spart Material ein und verringert das Gesamtgewicht.
• Print-in-Place Modelle: Das sind Modelle, die aus mehreren Körpern bestehen, die ineinander verschlungen sind. So können Verbindungselemente, bewegliche Baugruppen oder Scharniere direkt mit einem Druck als ein Bauteil hergestellt werden. Besonders wichtig ist hier die Berücksichtigung der Toleranzen. Das 3D-Modell muss überall genau die richtigen Spaltmasse aufweisen, damit sich die Körper schlussendlich gegeneinander bewegen lassen, aber nicht zu locker sind. Sollten Sie hierbei Hilfe benötigen, zögern Sie nicht uns anzufragen.
• Komplexe Kanäle (innenliegend): Ausser bei spezielleren Verfahren bestehen innenliegende Kanäle und Führungen eigentlich nur immer aus geraden Bohrungen. Im 3D-Druck sind in diesem Bereich jedoch kaum Grenzen gesetzt. So können Kanäle im Innern eines Bauteils jegliche Form annehmen. Dies ist besonders hilfreich für ein optimiertes Fliessverhalten von Flüssigkeiten oder Gasen oder auch in der Vakuumtechnik. Auch für eine ideale Auslegung von Kühlkanälen kann man sich diese Designfreiheiten zu Nutze machen. Dabei muss jedoch immer darauf geachtet werden, dass allfällige Stützstrukturen oder Puvler- und Harzreste problemlos entfernt werden können. Gerne beraten und unterstützen wir Sie dabei mit unserem Know-How.

2. 3-D Druck

Wir bieten eine Vielzahl unterschiedlichster Drucktechnologien und Materialien an. Folgend erhalten Sie einen Überblick und detaillierte Informationen zu unserem Angebot und dem allgemeinen 3D-Druck. 

Welche Technologien gibt es im 3D-Druck?

Diese Frage lässt sich nicht so einfach beantworten. Grund dafür ist, dass es viele verschiedenen Drucktechnologien gibt. Jede Technologie hat dabei seine eigene Funktionsweise sowie Vor- und Nachteile. Wenn man neu ist auf diesem Gebiet, kann dies schnell unübersichtlich und verwirrend sein.
Genau hier liegt unsere Stärke. Dank unserer langjährigen Erfahrung in der Branche, können wir unsere Kunden bei der Wahl der richtigen Technologie und Materialien unterstützen. Damit Sie sich selbst auch informieren und einen Überblick verschaffen könnten, haben wir nachfolgend die wichtigsten Informationen zusammengetragen. Sollten Sie dennoch Fragen haben, stehen wir Ihnen jederzeit zur Verfügung.

Grundsätzlich lassen sich alle Technologien, die wir anbieten, in folgende Kategorien unterteilen:

Welche Materialien gibt es im 3D-Druck?

Mittlerweile gibt es in den verschiedenen Druckverfahren unzählige Materialien. Die CHANGE3D GmbH kann seinen Kunden alleine mehr als 100 unterschiedliche Materialien anbieten. Um die richtige Auswahl zu treffen, ist es wichtig seine Anforderungen zu kennen. Da die Auswahl der Technologie und Materialien nicht einfach ist, unterstützen wir unsere Kunden stark. Dank der grossen Auswahl und unserer Erfahrung finden wir garantiert eine Lösung. 

Sollten Sie bei der Materialauswahl noch unsicher sein, hilft Ihnen unser Materialfinder. Gerne können Sie uns auch direkt anfragen, wir stehen Ihnen jederzeit zur Verfügung.

Was ist eine 3D-Datei? 

Damit Sie bei uns ein 3D-Druckteil bestellen können, brauchen Sie immer eine 3D-Datei. Gerne übernehmen wir für Sie die Konstruktion oder den 3D-Scan, sollten Sie noch keine 3D-Datei haben.

Dateiformat

Eine 3D-Datei ist dabei immer eine digitale Kopie eines Bauteils. Im 3D-Druck werden hauptsächlich folgende Dateiformate verwendet:

• STL: Hierbei handelt es sich um ein Flächenmodell. Das heisst, das die Oberfläche eines Körpers mit einer Vielzahl von Dreiecken angenähert wird.
• STEP: Im Gegensatz zu einer STL-Datei handelt es sich um ein Volumenmodell. Dies hat den Vorteil, dass die Datei im CAD auch relativ einfach angepasst unoptimiert werden kann.
• 3MF: Dies ist ein neueres Dateiformat und ermöglicht nicht nur das abspeichern eines Modells, sondern auhc weitere Informationen. So können zum Beispiel mit dem Modell direkt auch entsprechende Fertigungsparameter mitgegeben werden.
  
  
  

Neben den oben genannten Dateiformaten können wir auch eine Vielzahl anderer Dateien verarbeiten. Sollten Sie also keine der drei oberen Dateien zur Hand haben, ist dies kein Problem. Senden Sie uns einfach das, was Sie haben oder fragen Sie kurz nach. Häufig können Dateien auch konvertiert werden.

Qualität der Datei

Eine 3D-Datei ist nicht einfach eine 3D-Datei, sondern kann in verschiedenen Qualitäten daherkommen. Wenn wir von Qualität sprechen, meinen wir im Grunde folgende zwei Dinge:

• Auflösung: Gerade die STL-Dateien können in verschiedenen Auflösungen exportiert werden. Dies heisst im Grunde nichts anderes, als dass ein Körper mit mehr oder weniger Dreiecken abgebildet wird. Umso mehr Dreiecke, desto höher die Auflösung. Allerdings steigt dadurch auch die Dateigrösse. Ist die Auflösung zu gering, werden vor allem runde Geometrien sehr eckig abgebildet. Genauso werden diese Geometrien auch gedruckt. Somit gilt an sich: Umso höher die Auflösung der Datei, desto besser. Wenn Sie beim Exportieren einer STL  die Grössen angeben können, empfehlen wir folgendes: Eine Sehnentoleranz/Sehnenabweichung von 0.1 mm, Winkeltoleranz/Winkelabweichung von einem Grad und Mindestseitenlänge 0.1 mm. Dabei sollte die Dateigrösse von 20MB nicht überschritten werden.
• Keine Fehler: 3D-Dateien können auch Fehler aufweisen. Dies kann teilweise beim Exportieren oder bereits bei der Konstruktion passieren. Häufig sind die Fehler nicht direkt ersichtlich. Allerdings kann es sein, dass diese Fehler zu einem unsauberen Resultat führen, wenn die Datei gedruckt wird. Selbstverständlich prüfen wir alle Dateien, bevor wir diese Drucken. Nichtsdestotrotz ist es hilfreich, wenn wir bereits saubere Dateien erhalten. Die meisten 3D-Programme zeigen solche Fehler an oder ermöglichen eine Überprüfung. Häufig können diese Programme direkt auch eine Reparatur durchführen.
  
  

Skalierung

Wir beobachten bei unseren Kunden immer wieder, dass die Dateien nicht korrekt skaliert sind. Meist wird beim Export eine falsche Einheit ausgewählt oder bei der Konstruktion nicht auf die korrekte Dimensionierung geachtet. Natürlich können wir die Dateien auch selber skalieren. Wir bitten dennoch um eine kurze Überprüfung, dass die Datei in der richtigen Grösse vorliegt. Die meisten 3D-Programme zeigen direkt an, wie gross das geöffnete Bauteil ist und ermöglichen teilweise direkt auch ein Skalieren.

Toleranzen

Ein wichtiges Thema sind Toleranzen im 3D-Druck. Dabei wird häufig vergessen, dass im 3D-Druck exakt die 3D Datei gedruckt wird. Wenn zwei Teile ineinanderpassen sollten aber beide auf Null konstruiert sind, werden sie mit grosser Wahrscheinlichkeit nicht passen. Stattdessen müssen bereits bei der Konstruktion die Toleranzen berücksichtigt werden. Dies ist von der gewählten Drucktechnologie und dem Material abhängig. Da dies nicht ganz einfach ist, stehen wir Ihnen hierzu jederzeit für Fragen zur Verfügung. Eine Übersicht über die zu berücksichtigenden Toleranzen pro Technologie finden Sie hier.

3. 3D-Scan

Dank dem 3D-Scannen können Gegenstände originalgetreu und hochpräzise digitalisiert und in eine 3D-Datei umgewandelt werden. Diese Datei kann dann weiter optimiert oder für die Produktion im 3D-Druck eingesetzt werden.

Wie funktioniert 3D-Scannen? 

Beim 3D-Scannen wird die Oberfläche eines Bauteils gescannt und in eine digitale Datei umgewandelt. Doch wie funktioniert das genau? Was steckt dahinter und was muss alles berücksichtigt werden?
Es gibt zwei verschiedene Arten bzw. Technologien, wie ein Gegenstand gescannt werden kann:

Strukturiertes Licht/Lasertriangulation

Bei dieser Technologie wird von einer Lichtquelle entweder strukturiertes Licht (weiße oder blaue Lichtstrahlen) oder Linien (beim Laser) ausgestrahlt. Der projizierte Lichtstrahl wird auf der Oberfläche des zu scannenden Gegenstands verzerrt und reflektiert. Diese Reflektion wird vom Scanner durch eine Kamera aufgezeichnet. Anhand dieser Verzerrung kann anschliessend die Scan-Software berechnen, wie die Oberfläche im Raum angeordnet ist. Durch diesen Prozess werden millionen Datenpunkte gesammelt. Am Ende bilden diese Daten eine Punktwolke, woraus schlussendlich ein Polygonnetz generiert werden kann. Dieses Polygonnetz ist die 3D-Datei, welche weiter bearbeitet oder direkt für den 3D-Druck eingesetzt werden kann.

Diese Technologie ermöglicht das detailgetreue und hochpräzise Digitalisieren von Gegenständen. Auch wir setzten diese Technologie erfolgreich ein. Alles was dafür benötigt wird, ist das originale Bauteil.

Time-of-Flight

Anders, als bei der Technologie mit strukturiertem Licht oder Laser werden hier Laserimpulse ausgesendet. Diese Impulse werden von der Oberfläche reflektiert und vom Scanner wieder erfasst. Dabei wird die Zeit gemessen, zwischen dem Senden des Impulses, bis er wieder reflektiert wird. Anhand dieser Zeit und der konstanten Lichtgeschwindigkeit kann dann die Entfernung der Oberfläche zum Scanner ermittelt werden. Auch hier werden Millionen solcher Messungen in kürzester Zeit durchgeführt und daraus eine Punktwolke generiert. Diese Punktwolke kann anschliessend auch wieder in eine 3D-Datei umgewandelt werden. Wie die Funktionsweise bereits vermuten lässt, eignet sich diese Technologie nur für sehr grosse Gegenstände oder sogar Gebäude und Landschaften. Die Technologie ermöglicht das schnelle Erfassen von grossen Oberflächen, jedoch in geringerer Auflösung.

Was muss ich für einen 3D-Scan berücksichtigen?

Für das beste Ergebniss sollte dieses Bauteil möglichst vollständig und unbeschädigt sein. Ist dies nicht der Fall, wird auch die Beschädigung im Scan abgebildet. Allerdings können wir die Datei im Nachgang mit ein wenig Aufwand auch reparieren.

Damit die Oberfläche beim Scan möglichst gut erfasst werden kann, darf sie nicht glänzen oder stark reflektieren. Ist dies der Fall, kann das strukturierte Licht von der Kamer nicht richtig aufgenommen werden. Ist die Oberfläche dennoch glänzend, wird sie mit einem Mattierungslack lackiert. Dieser ist nicht dauerhaft, sondern löst sich nach einer Weile wieder auf, um das Bauteil nicht zu beschädigen.

Damit wir Ihnen für den 3D-Scan ein Angebot unterbreiten können, brauchen wir idealerweise das Originalbauteil. Am besten senden Sie uns das Bauteilan folgende Adresse:

CHANGE3D GmbH
Glarnerstrasse 88
8854 Siebnen SZ

4. Nachhaltigkeit

Das Thema Nachhaltigkeit gewinnt auch bei Unternehmen immer mehr an Bedeutung. So machen auch wir uns als CHANGE3D GmbH Gedanken, was wir zu diesem Thema Beitragen können. Die Additive Fertigung bietet dabei viel Potential und Möglichkeiten. 

Wenig Abfall

Einer der grössten Vorteile im 3D-Druck ist die additive Verarbeitung der Materialien. Konventionelle Fertigungsverfahren hingegen arbeiten subtraktiv. Das heisst, am Ende immer Material übrig bleibt. Dieses Material muss schlussendlich entsorgt oder recycelt werden. Im 3D-Druck wird grundsätzlich nur soviel Material verbraucht, wie für die Herstellung der Teile nötig sind. Dadurch entsteht sehr wenig Abfall und es kann ressourcensparend produziert werden. Einige Technologien haben zudem noch folgende Besonderheiten:

• Im FDM fällt häufig sogenanntes Stützmaterial an. Dieses Material wird nach dem Druck entfernt und kann an sich nicht mehr weiterverwendet werden. Allerdings entsorgen wir dieses Material nicht einfach, sondern sammeln es und geben es wenn möglich zum Kunststoffrecycling. Zudem verdrucken wir grundsätzlich nur sogenannte „Refill-Spools“. Normalerweise kommt das Material auf einer Kunststoffrolle, die am Ende entsorgt wird. Unser Material wird ohne diese Rolle geliefert. Stattdessen legen wir das Material für den Druck in eine Rolle ein, die immer wieder verwendet werden kann.
• In den Pulverbett-Verfahren wird meist der gesamte Bauraum mit Material gefüllt. Allerdings wird beim Druckvorgang nicht das ganze Material verarbeitet. Aufgrund der thermischen Belastung kann dieses Pulver nur bedingt nochmals verwendet werden. Es gibt jedoch eine Auffrisch-Rate, um altes Pulver und neues Pulver zu mischen. Damit kann das alte Pulver weiter verwendet werden und wird nicht einfach entsorgt.

5. FAQ

Über die Jahre haben wir die wichtigsten und häufigsten Fragen unserer Kunden gesammelt. All diese Fragen werden im folgenden FAQ beantwortet. Dabei hat es Fragen über alle Bereiche, vom 3D-Druck, über den 3D-Scan zur Konstruktion und dem Engineering.

Wir freuen uns auf Ihr Projekt!

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