FDM 3D-Druck
Eine fertigungsgerechte Konstruktion kann die Herstellungskosten um ein Vielfaches reduzieren und gleichzeitig die Bauteilfestigkeit deutlich erhöhen.
Beim Fused Deposition Modeling (FDM) wird ein thermoplastischer Kunststoff schichtweise aufgetragen und miteinander verschmolzen, bis das Bauteil vollständig aufgebaut ist. Durch dieses schichtweise Fertigungsprinzip entstehen Bauteile mit richtungsabhängigen Eigenschaften sowie fertigungsspezifischen Anforderungen an Geometrie und Design.
Um die Vorteile des FDM-Drucks optimal zu nutzen, ist eine konstruktionsgerechte Auslegung im Sinne von Design for Additive Manufacturing (DfAM) entscheidend. Eine angepasste Konstruktion ermöglicht nicht nur eine höhere Bauteilfestigkeit, sondern reduziert auch Druckzeit, Materialeinsatz und Nachbearbeitungskosten.
Wichtige Aspekte sind dabei insbesondere die richtige Druckorientierung, die Vermeidung kritischer Überhänge, optimierte Wandstärken und Bauteilkanten, ein effizienter Materialeinsatz sowie die Berücksichtigung von Toleranzen und fertigungsgerechten Details.
- FDM-Bauteile weisen eine anisotrope Festigkeit auf, da die Haftung zwischen den Schichten geringer ist als innerhalb der Schichten.
- Mechanische Belastungen sollten bevorzugt parallel zur Schichtebene ausgerichtet werden, um die Bauteilfestigkeit zu maximieren.
- Eine ungünstige Druckorientierung kann zu deutlich reduzierter Festigkeit und vorzeitigem Versagen des Bauteils führen.
- Überhänge mit einem Winkel von mehr als 45° erfordern in der Regel den Einsatz von Stützstrukturen.
- Stützstrukturen führen zu erhöhtem Materialverbrauch, längeren Druckzeiten sowie zusätzlichem Nachbearbeitungsaufwand.
- Eine konstruktive Vermeidung von Überhängen reduziert die Herstellungskosten und verbessert die Bauteilqualität.
- Geringere Wandstärken sind grundsätzlich möglich, führen jedoch zu deutlich reduzierter Steifigkeit und Festigkeit.
- Empfohlen wird eine Wandstärke von mindestens drei Linienbreiten für eine ausreichende Bauteilstabilität.
- Die typische Linienbreite beträgt bei Standarddüsen ca. 0,4 mm, woraus sich sinnvolle Wandstärken in Vielfachen ergeben (z. B. 1,2 mm, 1,6 mm, 2,0 mm, usw.).
- Radien an Innen- und Außenkanten reduzieren Spannungsspitzen und erhöhen die Bauteilfestigkeit sowie die Druckqualität.
- Scharfe Kanten sollten durch Verrundungen mit einem Radius von mindestens 0,5 mm ersetzt werden.
- An hochbelasteten Innenkanten empfiehlt sich eine möglichst große Verrundung, um die Lastverteilung zu verbessern und die Lebensdauer zu erhöhen.
- Der Einsatz von Vollmaterial sollte vermieden werden, da er zu erhöhtem Materialverbrauch und längeren Druckzeiten führt.
- Stattdessen sollten Verstärkungsrippen und funktionale Strukturen eingesetzt werden, um Material effizient zu nutzen.
- Ein optimierter Materialeinsatz ermöglicht geringere Herstellkosten, kürzere Druckzeiten und eine hohe Bauteilstabilität bei reduziertem Gewicht.
- Details sollten nicht kleiner als der Düsendurchmesser ausgeführt werden, da sie sonst nicht zuverlässig gedruckt werden können.
- Erhabene Strukturen sowie Gravuren sollten eine Mindesthöhe bzw. -tiefe von ca. 0,5 mm aufweisen, um eine gute Lesbarkeit und Druckqualität zu gewährleisten.
