FDM-3D-Druck Designtipps

Das Fused Deposition Modeling (FDM) ist eines der kostengünstigsten 3D-Druckverfahren, und macht es zu einer beliebten Wahl für den Prototypenbau, funktionelle Prüfungen und die Kleinserienfertigung. Falls jedoch höhere Stückzahlen, bessere Reproduzierbarkeit oder eine generell schnellere Produktionsgeschwindigkeit erforderlich ist, dann sind industrielle Verfahren wie SLS oder MJF (in denen Materialien wie PA 12 verwenden werden) besser geeignet. Während das FDM sehr vielfältig ist, so wird es doch durch seine Druckgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren eingeschränkt, wodurch es für die großmaßstäbliche Serienproduktion weniger ideal ist. Dennoch machen es seine Erschwinglichkeit sowie die Materialoptionen zu einer wertvollen Lösung für viele Anwendungen.

Nikolaus Mroncz

Head of Sales Engineering

Wenn Sie hochwertige FDM-Teile erhalten wollen, ist die Einhaltung der richtigen Designrichtlinien der Schlüssel. Viele häufig auftretende Probleme – wie das Verziehen, eine schwache Haftung der Schichten oder ein übermäßiger Materialverbrauch – sind auf Konstruktionsfehler zurückzuführen. Auf Faktoren wie geeignete Stützstrukturen, optimale Wandstärken oder abgerundete Ecken zu achten, kann Ihnen dabei helfen, Defekte zu vermeiden und die Festigkeit des Teils zu verbessern. Hier also einige essenzielle Designtipps für das FDM, die sich merken sollten.

#1 Stellen Sie die richtige Wandstärke sicher

Einer der häufigsten Fehler im FDM-3D-Druck besteht darin, dass die Wände entweder zu dünn oder zu dick sind. Übermäßig dünne Wände können sich verziehen und erfordern zusätzliche Stützstrukturen, die die Produktionskosten erhöhen. Teile mit übermäßig dicken Wänden erfordern hingegen mehr Material um sie zu fertigen. Sie werden die Kosten auf ein Minimum reduzieren wollen, indem Sie den Entwurf optimieren.

Faustregel:

Entwerfen Sie Wände mindestens 1,00 – 1,50 mm dick, oder dem dreifachen des Düsendurchmessers entsprechend.
Nutzen Sie Kreuzschraffur-Strukturen statt massiver Wände, um den Materialverbrauch und das Gewicht zu reduzieren.

#2 Optimierung von Überhängen und Brückenbögen

Der FDM-3D-Druck baut Schicht um Schicht auf, was bedeutet, dass jede Schicht von der darunter liegenden getragen werden muss. Überhänge und Brückenbögen – also Merkmale, die sich nach außen erstrecken oder Lücken ohne darunter liegende Stützstrukturen überspannen – können durchhänge, sich kräuseln oder raue Oberflächen erzeugen, wenn sie nicht richtig konstruiert sind. Das passiert, weil sich ein geschmolzener Thermoplast wie eine halbflüssige Substanz verhält, wenn er extrudiert wird, und dementsprechend ohne darunter liegendes Material, von der Schwerkraft nach unten gezogen wird, bevor er sich verfestigt.

Um qualitativ hochwertige Drucke zu gewährleisten und Defekte zu vermeiden, sollten die Konstrukteure darauf achten, nicht unterstütze Überhänge und Brückenbögen zu minimieren oder strategisch Stützstrukturen einzusetzen.

Faustregel:

Überhänge, die den maximalen Überhangwinkel von 45° überschreiten erfordern Stützstrukturen
Brückenbögen, die länger als 5 mm sind brauchen ggf. Stützstrukturen oder Anpassungen am Entwurf.
Nutzen Sie Fasen oder abgerundete Kanten zur Verbesserung der Druckbarkeit von Überhängen.

#3 Minimieren Sie das Verziehen durch das richtige Design

Das Verziehen ist einer der am häufigsten auftretenden Defekte im FDM-3D-Druck, und tritt auf, wenn das gedruckte Teil ungleichmäßig abkühlt, was dann zu einer ungleichmäßigen Schrumpfung des Materials und dementsprechend einer Deformation führt. Wenn sich Thermoplaste abkühlen, dann ziehen sie sich leicht zusammen, und falls unterschiedliche Bereiche unterschiedlich schnell abkühlen, führt dies zu inneren Spannungen, die dafür sorgen, dass sich die Teile vom Druckbett abheben oder sich verformen. Das Verziehen ist besonders problematisch bei großen ebenen Flächen und Materialien mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie zum Beispiel ABS.

Faustregel:

Vermeiden Sie große flache Bereiche – fügen Sie Hohlkehlen und Fasen hinzu, um dieinneren Spannungen zu vermindern.
Nutzen Sie Skirt, Brim oder Raft, ⁣ um die Haftung am Druckbett zu verbessern.
Optimieren der Materialauswahl (z.B. PLA oder PETG verziehen sich weniger als ABS).

#4 Nutzen Sie Stützstrukturen Mit Bedacht

Stützstrukturen sind im Druck komplexer Geometrien, von Überhängen oder Brückenbögen unerlässlich. Jedoch können schlecht platzierte Stützmaterialien nur schwierig zu entfernen sein, können Unvollkommenheiten hinterlassen oder die Druckdauer erhöhen. Statt sich also auf den übermäßigen Einsatz von Stützen zu verlassen, hilft oft schon die Optimierung der Ausrichtung des Teils dabei, die Notwendigkeit des Stützmaterials zu verringern, die Druckqualität zu verbessern und damit den Bedarf für Nachbearbeitungsvorgänge zu reduzieren.

Faustregel:

Teile ausrichten um den Bedarf an Stützstrukturen zu reduzieren.
Nutzen Sie baumförmige oder wasserlösliche Stützen, ⁣ um sie später einfacher entfernen zu können.
Platzieren Sie Stützen abseits wichtiger Oberflächen um den Bedarf einer Nachbearbeitung zu vermindern.

#5 Teile für höhere Festigkeit und bessere Oberflächengüte ausrichten

Teile aus dem FDM sind entlang der z-Achse am schwächsten im Hinblick auf die Grenzen der Adhäsion der unterschiedlichen Schichten. Das bedeutet, dass Teile entlang der gedruckten Schichten brechen, wenn sie ungünstig ausgerichteten Zug- oder Biegemomenten ausgesetzt sind. Darüber hinaus beeinflusst die Ausrichtung des Drucks auch die Glätte der Oberflächen – sichtbare Schichtlinien sind auf gebogenen oder gewinkelten Flächen deutlicher zu erkennen.

Faustregel:

Zerbrechliche Merkmale sollten immer parallel zur Bauplattform bzw. dem Druckbett ausgerichtet sein.
Richten Sie Löcher vertikal aus um die Notwendigkeit von Stützstrukturen zu verringern.
Richten Sie gekrümmte oder abgewinkelte Flächen parallel zur Bauplattform aus, um Treppenstufen zu vermeiden.

#4 Stellen Sie den Richtigen Abstand für Zusammenpassende Teile Sicher

Zusammenpassende Teile müssen im FDM-3D-Druck unter Berücksichtigung ausreichender Spaltmaße konstruiert werden, damit diese später weder beim Druck verschmelzen, noch am Ende zu lose sitzen. Aufgrund der thermischen Ausdehnung, Unterschieden in den Schichten und der Toleranzen der Drucker ist es passieren, dass der Entwurf mit den genau passenden Maßen zu unerwarteten Problemen mit der Passung führen kann.

Faustregel:

0,15 mm Abstand für eine Presspassung
0,2 – 0,3 mm Abstand für eine gleitende Passung.
Erwägen Sie gleichförmige Ausrichtung für Teile, die als eine Baugruppe gedruckt werden sollen. Stellen Sie zudem sicher, dass die Verbindungsfläche der Passung senkrecht (vertikal) zur Bauplattform positioniert ist.
Erwägen Sie es zudem feingliedrige 3D-Modells in Einzelteile zu zerlegen, die separat gedruckt werden, falls es nicht möglich ist, den Mindestabstand einzuhalten.

#7 Entwurf von Säulen, Stiften und kleinen Elementen mit Blick auf die Druckbarkeit

Kleine, dünne Elemente wie Säulen oder Stifte sind oft zu fragil, um den FDM-Druckprozess zu überstehen, insbesondere dann, wenn sie unter die Grenzen der Auflösung des Druckers fallen. Sie können während der Nachbearbeitung abbrechen oder während des Drucks aufgrund fehlender Unterstützung fehlschlagen. Die Auswahl der richtigen Materialeigenschaften, der Ausrichtung des Drucks sowie der Mindestgröße für Elemente kann dabei helfen diese Probleme zu vermeiden.

Faustregel:

Entwerfen Sie Säulen mit einem Mindestdurchmesser von 2-3 mm.
Stifte sollten mindestens 1mm im Durchmesser haben und sollten so kurz wie möglich ausfallen.
Verwenden Sie PLA oder andere Materialien für hochdetaillierte Drucke bei kleinen und komplizierten Merkmalen.
Nutzen Sie Stützstrukturen für Merkmale mit minimaler Größe um die Stabilität zu verbessern.

#8 Fügen Sie Kehlen und Fasen zum Schutz gegen Spannungskonzentrationen hinzu

Scharfe Ecken fungieren als Schwachpunkte in FDM.gedruckten Teilen und erzeugen Bereiche mit hohen Spannungskonzentrationen, in denen leichter Risse entstehen können. Dies ist insbesondere bei tragenden Komponenten relevant, denen ein Defekt die Gesamtleistung des Bauteils kompromittieren könnte. Durch das Hinzufügen von Kehlen/Hohlkehlen (abgerundete Ecken) und Fasen (winklige Ecken) verteilt sich die Belastung gleichmäßiger, und die Haltbarkeit wird verbessert.

Faustregel:

Stellen Sie sicher, dass der Kehlradius der Wandstärke für eine konsistente Festigkeit entspricht.
Vermeiden Sie Kehlen in den ersten Schichten, um ein Verziehen zu vermeiden.
Verwenden Sie Fasen anstatt scharfer Kanten, um die Festigkeit der Teile und ihre einfache Entfernung zu verbessern.
Fügen Sie Fasen und Kehlen zu überhängenden Oberflächen mit einem Winkel von mehr als 45° hinzu, um die Notwendigkeit von Stützstrukturen zu vermeiden.

#9 Nutzen Sie Bosse und Rippen, um Teile ohne übermäßigen Materialeinsatz zu verstärken

Nutzen sie Bosse (zylindrische Erhebungen) und Rippen (dünne vertikale Träger), um die Festigkeit ohne großen Materialeinsatz zu erhöhen. Bosse (meist zylindrisch und manchmal halbkugelförmig) dienen als Ansatz- und Knotenpunkte für Befestigungen und Verbinder, während Rippen zusätzliche strukturelle Unterstützung bieten, um schwache Abschnitte zu verstärken. Diese Elemente helfen dabei, die Haltbarkeit zu verbessern, ohne dabei merklich Gewicht und Druckzeiten zu erhöhen.

Faustregel:

Bosse sollten der Dicke des Teils entsprechen oder 0,5 mm kleiner sein.
Nutzen sie immer Rippen um Bosse zu verstärken.

#10 Richtige Größe für geprägte oder gravierte Texte

Geprägte (erhöhte) und gravierte (vertiefte) Texte/Logos können schwierig zu lesen sein, wenn sie zu klein entworfen wurden. Den FDM – Druckern fehlt es an der hohen Auflösung wie im SLA, sodass Textelemente groß genug für eine saubere Reproduktion sein müssen.

Faustregel:

Geprägter Text: 0,8 mm Dicke, 1,5 mm Höhe.
Gravierter Text: 1,0 mm Dicke, 0,3 mm Tiefe .
Der Text sollte zur besseren Lesbarkeit auf den oberen Flächen des Teils und nicht auf vertikalen Wänden platziert werden.
Verwenden Sie fette, serifenlose Schriftarten wie Arial, Century Gothic Bold oder Verdana, um eine klare Kommunikation zu ermöglichen.

Referenzleitfaden für das FDM – Verfahren

Das FDM-3D-Druckverfahren hat Grenzen, die stark von den Eigenschaften des Druckers abhängig sind. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Spezifikationen zusammen, die Sie beim Entwurf von 3D-Modellen hinsichtlich der Druckbarkeit mit diesem Verfahren beachten sollten.

Spezifikation	Details
Maximales Bauvolumen	Bis zu 900 x 600 x 900 mm. Standard: 350 x 350 x 350 mm. Industriell: 900 x 600 x 900 mm
Minimale Dicke eines Elements	0,2 mm
Empfohlene minimale Wandstärke	1,00 mm (unterstützt), 1,20 mm (nicht unterstützt)
Schichtdicke	0,05 – 0,30 mm
Allgemeine Toleranz	±0.5% (±0.5 mm)

Beziehen Sie Ihre entworfenen Teile aus dem 3D-Druck über Xometry

Die Qualität des 3D-Drucks hängt nicht nur vom Entwurf ab. Sie können durchaus alle Best Practices für das FDM befolgen, wie sie hier in diesem Artikel aufgezeigt wurden, und dennoch am Ende mit einem defekten Teil herauskommen. Dies geschieht häufig während des Druckvorgangs. Falls das verwendete Material nicht den entsprechenden Standards entspricht und dazu die falschen Temperatureinstellungen verwendet werden, können Sie direkt erwarten, dass die Qualität kompromittiert wird.

Den Druckprozess hingegen von Experten aus der Branche handhaben zu lassen garantiert Ihnen hochwertige Ergebnisse. Indem Sie Xometry wählen, profitieren Sie von einer Kombination aus Erfahrung, fortschrittlichen Verfahren und effizienten Prozessen, die sicherstellen, dass Ihre Entwürfe in höchster Qualität und Präzision zum Leben erweckt werden. Unsere optimierten Prozesse und wettbewerbsfähigen Preise tragen dazu bei, dass Materialverschwendung vermieden und Gesamtkosten reduziert werden kann. Erhalten sofort ein Angebot für unsere fortschrittlichen FDM-3D-Druckdienste, die sicherstellen, dass Siehaltbare, individuell für Sie gefertigte Teile bekommen, die Ihren ganz besonderen Anforderungen entsprechen.