Generelles Konstruktionswissen für den 3D-Druck

Die unterschiedlichen 3D Druckverfahren haben verschiedene Qualitäten und dementsprechend auch unterschiedliche Designanforderungen bzw. -beschränkungen. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über Konstruktions- und Designhinweise, die für alle Druckverfahren gelten.

Für spezifische Verfahren werden die Richtlinien im Laufe der Zeit hinzugefügt.

Wer bereits Erfahrung in der Konstruktion besitzt wird hier sicherlich genauso fündig, wie jemand, der gerade anfängt, mit CAD Programme zu arbeiten. Anfänger, die wegen des 3D Drucks hiermit anfangen, werden somit von Anfang an mit den nötigen Werkzeugen und dem Wissen ausgestattet.

Als Basis für die Arbeit kann die Infografik von 3DHubs genommen werden, die uns erlaubt haben, Informationen aus der Knowledgebase für den deutschen Markt aufzuarbeiten und anzubieten. Danke dafür! <3 

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Digital != Physisch

Bei aller Konstruktion im digitalen Raum sollte man eines nicht vergessen, dass das erstellte Design später auch 3D gedruckt wird. Im Gegensatz zur physischen Welt, in der physikalische Gesetze gelten und die Mechanik ebenfalls Grenzen kennt, ist in der digitalen Welt alles erlaubt und alles möglich. Jedoch kann das alles später nicht unbedingt auch physisch umgesetzt werden.

Jedes 3D Druckverfahren hat Grenzen. Hier kommen die wichtigsten Infos, die jedoch für alle gelten und die man sich merken sollte:

Allgemeine Designüberlegungen und -hinweise für den 3D-Druck

Überhänge

Alle 3D Druckverfahren bauen Objekte Schicht für Schicht auf. Es kann nicht in die Luft gedruckt werden. Das heißt, dass immer auf eine vorherige Schicht drauf gedruckt werden muss.

Überhänge sind Bereiche eines 3D Druck Modells, die entweder nur teilweise oder gar überhaupt nicht von der darunter liegenden Schicht unterstützt werden. Es gibt eine Grenze für den Winkel, bis zu dem jeder 3D Drucker ohne Stützstrukturen gute Ergebnisse erzielen kann. In vielen Fällen hängt das somit von jedem Drucker ab und ist auch nach Verfahren unterschiedlich. Ein Wert von 45° kann für FDM und SLA aber als ungefährer Wert angenommen werden. Wenn dieser Winkel überschritten wird, sind nicht mehr viele Drucker dazu in der Lage, das Objekt zu drucken.

Bei der Konstruktion ist somit darauf zu achten, die Winkel der Überhänge nicht allzu groß werden zu lassen. Es sieht zum einen auch nicht mehr gut aus und zum anderen werden mechanische Eigenschaften und Anforderungen nicht erfüllbar.

Die Auswirkungen des steigenden Winkels bei Überhängen (Bildquelle: 3dhubs)
Die Auswirkungen des steigenden Winkels bei Überhängen (Bildquelle: 3dhubs)

Wanddicke

Ein weiterer Punkt, den es bei der Konstruktion eines Modells zu beachten gilt, ist die Wanddicke. Jedes Druckverfahren und darin jeder Drucker schafft eine unterschiedlich hohe Auflösung. Alle Verfahren und Drucker eint aber, dass sie nur eine bestimmte minimale Schichtddicke drucken können.

Nehmen wir an, wir möchten einen Dekoartikel mit vielen kleinen Details drucken. Im Designprozess sieht noch alles gut aus und die dünnen Wände sind perfekt. Dann fällt uns ein, dass der Drucker etwas zu klein ist, um das Modell 1:1 drucken zu können. Also skalieren wir herunter. Dabei werden aber alle Bereiche herunter skaliert: Die Wände ebenso. Sind diese bereits sehr dünn, werden sie im besten Fall angezeigt, aber nicht gedruckt.

Hier gilt, dass Wanddicken ab 0,8 mm mit jedem Verfahren gedruckt werden können.

Warping

Beim Design von 3D-Modellen wird leicht vergessen, dass die für den 3D Druck verwendeten Materialien unterschiedlichen physikalischen Veränderungsprozessen unterliegen: Schmelzen, Sintern oder Aushärten mittels Laserstrahl.

Das ständige Aufwärmen und Abkühlen sorgt im Material für Spannungen und so entsteht das sogenannte Warping. Die Temperaturunterschiede im Objekt begünstigen das Warping extrem.

Besonders große, ebene Flächen können – je nach Material – sehr anfällig für das Warping sein. Gegen das Warping hilft beim Druck selbst die richtige Einstellung des Druckers, der Einsatz eines passenden Druckuntergrundes.

In der Konstruktion kann man dem entgegenwirken, indem beispielsweise die Ecken abgerundet werden und große flache Flächen vermieden werden.

Warping 3D Druck Fehler
Ein häufig auftretender 3D Druck Fehler ist das sogenannte Warping

Detaillierungsgrad

Wenn ein 3D Modell mit detaillierten Merkmalen entstehen soll, so ist es sehr wichtig, den höchsten Detaillierungsgrad des verwendeten 3D Druckers im Auge zu behalten.

Der Detaillierungsgrad hängt von einigen Faktoren ab. So beispielsweise von den Fähigkeiten und der Mechanik des genutzten 3D Druckers sowie der maximalen Schichthöhe.

Der Prozess und die verwendeten Materialien haben einen großen Einfluss auf die Geschwindigkeit sowie die Druckkosten. Aus diesem Grund ist es wichtig, herauszustellen, ob hoch detaillierte Objekte entscheiden sind für das eigene Projekt.

Marvin gedruckt in 200 Mikron FDM, 100 Mikron FDM, SLA und Material Jetting (von links nach rechts)  (Bildquelle: 3dhubs)
Marvin gedruckt in 200 Mikron FDM, 100 Mikron FDM, SLA und Material Jetting (von links nach rechts) (Bildquelle: 3dhubs)

Faustregeln

  • Überhänge nach Möglichkeit vermeiden oder wenigstens verringern. Wert von 45° selten überschreiten.
  • Die Modelle sollten eine Mindestwanddicke von 0,8 mm besitzen.
  • Große Flächen vermeiden. Abgerundete Ecken verwenden, um das Warping zu unterbinden
  • Für den minimalen Detaillierungsgrad der Modelle entscheiden und anschließend das passende 3D Druckverfahren auswählen