Toleranzen im 3D-Druck

Dieser Artikel liefert eine kurze Einführung zu Toleranzen bei 3D-Druckverfahren, erläutert die wichtigsten Einflussgrößen und liefert konkrete Informationen zu allen additiven Fertigungsverfahren, die bei Xometry verfügbar sind.

Wie bei jedem Fertigungsverfahren spielen die Toleranzen auch bei additiven Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle für die endgültigen Abmessungen der Teile. Daher ist ein Verständnis der Toleranzen im 3D-Druck sowohl für Prototypen als auch für funktionsfähige Teile notwendig, um eine optimale Genauigkeit zu erreichen.

Was versteht man unter Toleranzen im 3D-Druck?

Unter Toleranz versteht man im Allgemeinen die Abweichung der Abmessungen eines Bauteils von den Angaben in der technischen Zeichnung bzw. CAD-Modell. Die Toleranz ist also die Abweichung von einem Normmaß, die für eine bestimmte Größe noch erlaubt ist. Bisher gibt es für den 3D-Druck noch keine international gültigen Toleranznormen wie in der CNC-Bearbeitung (Stand November 2021).

Die wichtigsten Faktoren, die Toleranzen im 3D-Druck beeinflussen sind:

  • Schrumpfung (Volumenänderung aufgrund des Übergangs von flüssig zu fest)
  • Schichtdicke
  • Minimale Strukturgröße
  • Baugröße (maximale Abmessungen, die mit dem jeweiligen Fertigungsverfahren hergestellt werden können)
3D printer machine printing plastic workpiece
3D-Drucker bei der Fertigung eines Kunststoffteils

Materialschrumpfung

Bei 3D-Druckverfahren kommen unter anderem Werkstoffe wie thermoplastische Filamente, Pulver, Harze, flüssige Photopolymere und Metallpulver zum Einsatz. Diese Materialien schrumpfen unterschiedlich stark. Beim 3D-Druck schrumpfen Polymere grundsätzlich während sie abkühlen und erstarren. Der Grad der Schrumpfung hängt von dem jeweils eingesetzten Material ab.

Eine ungleichmäßige Schrumpfung kann außerdem zu Mängeln wie Verziehen und Verformung führen und die Geometrie des Teils beeinflussen. Dies tritt unter Anderem aufgrund schneller Temperaturänderungen auf. Verschiedene Materialien verhalten sich bei gleichen Druckereinstellungen unterschiedlich und können bei ungleichmäßiger Abkühlung zu Abweichungen führen. Während des Drucks auftretende Spannungen, die Wahl der Stützstrukturen und andere Konstruktions-Entscheidungen können zu Abweichungen und Unebenheiten führen.

Material shrinkage scheme (Source: Stack exchange)
Verformung durch Materialschrumpfung (Quelle: Stack exchange)

Vor allem Teile mit großen Wandstärken, besonders flache oder breite Teile und Teile mit ungleichmäßigen Wandstärken sind anfällig für Abweichungen oder Verformungen. Minderwertige Kunststoffe und nicht kalibrierte Drucker können ebenfalls zu ungenauen Abmessungen führen.

Schichtdicke

Die Schichtdicke, teilweise auch als Auflösung bezeichnet, bestimmt die Maßgenauigkeit des Teils in Z-Richtung. Dessen Auswirkung wird meist bei FDM, Polyjet und SLA deutlich, wo das Teil auf einem Druckbett haftet. 

Das Erhitzen und Aushärten kann zu Verformungen führen. Häufig wird die erste Schicht eines Drucks mit einer Extrusionsgeschwindigkeit von über 100% aufgetragen, um sicherzustellen, dass das Teil auf dem Druckbett haftet. Dies kann zu einer dickeren ersten Schicht und damit zu größeren Abmessungen führen als ursprünglich gewünscht.

Günstige Desktop-3D-Drucker sind außerdem häufig inkonsistent bezüglich der Höhe der gedruckten Schichten und sind daher nicht in der Lage, enge Toleranzen einzuhalten. Im Gegensatz dazu ist die Standardauflösung bei Fertigungsverfahren wie SLS und DMLS bereits für die meisten Anwendungen ausreichend oder die Schichthöhe ist bereits von den Herstellern der Drucker voreingestellt. Qualitativ hochwertige Materialien sind häufig erforderlich, da das Verhalten günstiger Materialien z.B. bezüglich ihrer Schrumpfung häufig nicht vorhersehbar ist.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist der Treppenstufeneffekt. Da die Teile mit einem 3D-Drucker schichtweise aufgebaut werden, können Kugel- bzw. Kreisformen nicht so genau und gleichmäßig hergestellt werden wie mit traditionellen Fertigungsverfahren. Beim 3D-Druck entstehen dann häufig treppenartige Stufen (siehe Skizze). Hier kommt es aufgrund der Schichtstruktur zu Abweichungen von der runden Geometrie des Modells.

Scheme showing the deviation of the originally designed geometry
Skizze: Schichtstruktur führt zu Abweichungen bei runden Merkmalen (Quelle: Researchgate)

Minimale Strukturgröße

Bei FDM hängt die minimale Strukturgröße von der Schichtdicke und dem Durchmesser der Düse ab. Die minimale Strukturgröße in X-Y-Ebene wird durch den Düsendurchmesser bestimmt. Die Auflösung in Z-Richtung wird durch die Schichtdicke festgelegt. Der Düsendurchmesser beeinflusst die allgemeine Detailauflösung nahezu ausschließlich in der horizontalen Ebene (parallel zur Druckfläche).

So kann zum Beispiel mit einer kleineren Düse ein detaillierterer Text gedruckt werden, vorausgesetzt dieser befindet sich auf der Oberseite des Teils. Im Gegensatz dazu beeinflusst die Schichthöhe die Auflösung in vertikaler Richtung und die Auflösung schräger Flächen.

Bei anderen Fertigungsverfahren wie MJF, SLS, DMLS und SLA hängt die minimale Strukturgröße sowohl vom eingesetzten Material als auch dem Durchmesser des Laserstrahls ab. Bei Fertigungsverfahren, die pulverförmiges Ausgangsmaterial einsetzen, kann übriges Pulver wiederverwendet werden. Nach mehreren Einsätzen verliert das Pulver jedoch seine kugelförmige Struktur. Dann lässt sich nur schwer vorhersagen, wie sich diese neue, unregelmäßige Pulverform auf die Einhaltung der Toleranzen auswirkt.

Hierbei sollte beachtet werden, dass der Düsen- und Laserstrahldurchmesser festgelegt sind (kundenspezifische Anpassungen möglich) und ebenfalls mit Unsicherheiten und Abweichungen behaftet sind, die wiederum die Toleranz beeinflussen.

3D printer printing prosthetic hip bone
3D-Drucker bei der Herstellung einer Hüftprothese

Bauraum und maximale Abmessungen

Die Größe des Bauraums bestimmt die maximalen Abmessungen, die mit einem Drucker hergestellt werden können. Je größer das Teil ist, desto mehr Zeit wird für die Abkühlung und Aushärtung benötigt. Während dieses Vorgangs kommt es zu Schrumpfung und bei ungleichmäßiger Abkühlung auch zu Verformung.

Außerdem benötigen große Teile häufig mehr Stützstrukturen (abhängig von Modell und Verfahren). Diese kann die Oberflächenqualität beeinträchtigen.

Toleranzen der 3D-Druckverfahren

Die verschiedenen 3D-Druckverfahren besitzen verschiedene, prozessabhängige Toleranzen. Diese Toleranzen werden durch den jeweiligen Fertigungsprozess, bewegliche Teile, eingesetzte Werkstoffe und dem jeweiligen Modell beeinflusst. Um bessere Ergebnisse zu erzielen empfiehlt sich die Einhaltung der Konstruktionsrichtlinien des jeweiligen Fertigungsverfahrens.

HP Multi Jet Fusion

Während des MJF-Verfahrens kommt es aufgrund des UV-Lasers zu Hitzeentwicklung, die bei Teilen mit hohen Wandstärken, bei großen und breiten Teilen und bei Teilen mit ungleichmäßiger Wandstärke durch thermisch bedingte Schrumpfung und Spannungen zu Abweichungen führen kann. Dies kann sich letztlich in Verziehen oder Verformung niederschlagen. Die Wandstärken und Konstruktionsrichtlinien für Spritzgussteile können auch bei der Konstruktion für MJF verwendet werden.

Parameter Wert
Toleranz ±0,3% (± 0,2 mm for 100 mm)
Baugröße bis zu 380 x 284 x 380 mm, normalerweise empfehlen wir maximale Abmessungen von 356 x 280 x 356 mm
Schichtdicke ~0,08 mm
Mindestmerkmalgröße min. 0,5 mm, 0,7 mm empfohlen
Complex 3D printed part via MJF
Mit MJF 3D-Druck gefertigtes Teil

Selektives Lasersintern (SLS)

Selektives Lasersintern ähnelt dem MJF-Verfahren, jedoch wird bei SLS ein CO2-Laser zur Erhitzung des Polymerpulvers eingesetzt. Sowohl SLS als auch MJF sind anfällig für Schrumpfung und Verzug.

Parameter Wert
Toleranz ±0,3% (± 0,3 mm für 100 mm)
Baugröße bis zu 340 x 340 x 605 mm, normalerweise empfehlen wir maximale Abmessungen von 320 x 320 x 580 mm
Schichtdicke ~0,1 mm und für wasserdichte Teile 1,5 mm, bei höherer Wandstärke
Mindestmerkmalgröße min. 0,5 mm, 0,75 mm empfohlen
SLS PA 12
SLS-Teil in PA 12

Stereolithografie (SLA)

Das Stereolithografie-Verfahren bietet eine hohe Detailgenauigkeit und kann mit einer Reihe verschiedener Photopolymere eingesetzt werden, die unterschiedlichste Eigenschaften aufweisen. Die Auswahl an SLA-Werkstoffen reicht von flexiblen Materialien (Polypropylene-ähnlich) über universell einsetzbare (ABS-ähnlich) und starre Materialien (Polycarbonat-ähnlich) bis hin zu hochfesten Verbundwerkstoffen. Die Teile müssen jedoch eine Zeit lang mit UV-Licht ausgehärtet werden, was zu Schrumpfung führen kann.

Parameter Wert
Toleranz ±0,2% (± 0,2 mm für 100 mm)
Baugröße bis zu 736 x 635 x 533 mm
Schichtdicke ~ 0,02 mm
Mindestmerkmalgröße 0,1 mm
SLA Industrial Black, ABS-Like Side
SLA Industrie Schwarz, ABS-ähnliche Seite

Fused deposition modeling (FDM)

Fused Deposition Modeling eignet sich hervorragend für mechanische Konstruktionen, größere Teile und Teile, die keine sehr feinen Merkmale benötigen. Sehr kleine Strukturen sind aufgrund der Breite des durch die Düse extrudierten Materials oft nicht erreichbar. Die Schrumpfung tritt direkt mit der Abkühlung des Materials ein, während es auf die Bauplattform aufgebracht wird. Die erreichbaren Toleranzen der industriellen und Desktop FDM-Drucker können teilweise stark voneinander abweichen.

Parameter Wert
Toleranz ±0,5% (± 0,5 mm für 100 mm)
Baugröße bis zu 914 x 610 x 914 mm
Schichtdicke ~0,05-0,3 mm
Mindestmerkmalgröße bis zu 0,2 mm
FDM 3D printed parts
FDM 3D-gedruckte Teile

Carbon DLS

Carbon DLS ist ein genaues und präzises Verfahren mit thermisch aushärtbaren technischen Werkstoffen. Die ausgehärteten Materialien basieren häufig auf Urethan, z.B. flexible, starre und elastomere Werkstoffe (FPU, RPU, EPU). 

Weitere kompatible Materialien verhalten sich eher wie Silikon, z.B. das auf Urethan basierende SIL-Material. Cyanatester (CE) ist ein hartes und thermisch sehr beständiges Material. Urethanmethacrylat (UMA) ist ein vielseitig einsetzbares, einstufiges Harz. Dieses Harz muss jedoch ausgehärtet werden und ist daher anfällig für Schrumpfung.

Parameter Wert
Toleranz ±0,1% (± 0,1 mm für 100 mm)
Baugröße bis zu 119 x 189 x 300 mm. Empfohlene Abmessungen bis zu 100 x 100 x 150 mm
Schichtdicke ~0,1 mm
Mindestmerkmalgröße min. 1 mm empfohlen

Direktes Metall-Lasersintern (DMLS)

Das DMLS-Verfahrens benötigt eine Menge Wärme, die wiederum zu Schrumpfung und Verzug führen kann. Der Schrumpfungsfaktor und die wärmeleitenden Eigenschaften von Metallen unterscheidet sich deutlich von Kunststoffen. Die Teile sind nahezu porenfrei und besitzen eine geringere Oberflächenrauheit  (~20 µm).

Parameter Wert
Toleranz ±0,2% (±0,1 – 0,2 mm für 100 mm)
Baugröße 250 x 250 x 325 mm
Schichtdicke 0,02 – 0,08 mm je nach Material
Mindestmerkmalgröße 0,75 mm für ästhetische Merkmale, 1,5 mm für Strukturmerkmale
DMLS Aluminum AlSi10Mg
DMLS-Aluminium AlSi10Mg, wie gedruckt

Polyjet

PolyJet ist ein sehr detailliertes und genaues Fertigungsverfahren. Die Materialien sind zwar nicht so widerstandsfähig wie die Thermoplasten des FDM oder des SLS, jedoch können mit den starren und gummiartigen Photopolymeren die höchsten Auflösungen erreicht werden. Dieses Verfahren benötigt zur Fertigung keine Hitze und ist in der Lage enge Toleranzen einzuhalten.

Parameter Wert
Toleranz ±0,05-0,1 mm für 100 mm
Baugröße bis zu 490 mm x 391 mm x 200 mm
Schichtdicke 0,004 mm
Mindestmerkmalgröße min. 1,2 mm für starre und min. 2 mm für gummiähnliche Materialien
Polyjet printed part
Polyjet-gedrucktes Teil

Nachbearbeitung

Oft sind bei additiven Fertigungsverfahren Stützstrukturen erforderlich. Die Entfernung dieser Hilfsstrukturen beeinträchtigt nicht nur die Oberflächenbeschaffenheit sondern kann auch zu übermäßigem Abtragen von Material führen. Dadurch können Abweichungen der Abmessungen entstehen.

Nachbearbeitungsverfahren wie Abschleifen oder Abschmirgeln können eingesetzt werden, um überschüssiges Material zu entfernen, während Verfahren wie Beschichtung und Lackierung die Abmessungen etwas vergrößern können. Bei DMLS werden bei kritischen Oberflächen manchmal 1-2 mm zusätzlich eingeplant, damit sie nach dem Druck entsprechend maschinell abgetragen werden können. Dies ist eine Methode, mit der man korrekte Abmessungen und engere Toleranzen erreichen kann.

Fazit

In der folgenden Tabelle sind die Toleranzen der 3D-Druckverfahren von Xometry zusammengefasst:

3D-Druckverfahren Toleranzen
MJF ±0.3% (± 0.2 mm)
SLS ±0.3% (± 0.3 mm)
SLA ±0.2% (± 0.2 mm)
FDM ±0.5% (± 0.5 mm)
Carbon DLS ±0.1% (± 0.1 mm)
DMLS ±0.2% (±0.1 – 0.2 mm)
Polyjet ±0.05-0.1 mm

Xometry Europe bietet einen schnellen, zuverlässigen und hochpräzisen 3D-Druck-Service. Mit Hilfe unserer Online-Plattform für Sofortangebote und unseres Netzwerks aus mehr als 2.000 Fertigungspartnern können wir einen reibungslosen Produktionsablauf sicherstellen, vom ersten Angebot bis hin zur Lieferung der Teile.

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