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
- MJF und SLS: ±0.3%, min. ±0.2mm
- SLM: DIN ISO2768-1m
- SLA: ±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
- 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 wird. 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 im 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 10-20%. 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.