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So entwerfen Sie Modelle für den FDM-3D-Druck

Einführung

Als kostengünstigste 3D-Drucktechnologie auf dem Markt ist Fused Deposition Modeling (FDM) eine gute Wahl für schnelles und kostengünstiges Prototyping, das für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann. Es kann auch eine geeignete Lösung für Funktionsteile wie Gehäuse sein.

Wie bei allen Herstellungsverfahren weist FDM einige Einschränkungen und Einschränkungen hinsichtlich der Druckmöglichkeiten auf. In diesem Artikel werden diese Einschränkungen vorgestellt und Methoden erläutert, die in der Entwurfsphase implementiert werden können, um ihre Auswirkungen auf die Qualität eines Drucks zu begrenzen.

Geometrieeinschränkungen

Oft produzieren Architekten oder Spieledesigner Elemente in einem 3D-Modell mit einer infinitesimalen Dicke (Haare, Umhänge, Segel usw.). Dünne Features können nicht in 3D gedruckt werden, es sei denn, sie sind größer als die Mindestgröße der druckbaren Features für jede Technologie.

In der folgenden Tabelle sind die empfohlenen Mindestwandstärken für die gängigsten 3D-Drucktechnologien zusammengefasst. Beachten Sie, dass es in einigen Fällen, wie z. B. bei SLA / DLP, möglich ist, kleinere Features zu drucken. Dies sollte jedoch nach Rücksprache mit dem Maschinenbediener von Fall zu Fall beurteilt werden.

TechnologieEmpfohlene Mindestwandstärke
FDM0.8 mm
SLA/DLP0.5 mm
SLS0.7 mm
Material Jetting1.0 mm
Binder Jetting2.0 mm
DMLS/SLM0.4 mm

Füll- und Schichthöhe

Die typische Schichthöhe, die in FDM verwendet wird, variiert zwischen 50 und 300 Mikron und kann bei der Bestellung bestimmt werden. Eine kleinere Schichthöhe erzeugt glattere Teile und erfasst gekrümmte Geometrien genauer, während eine größere Höhe Teile schneller und zu geringeren Kosten erzeugt. Am häufigsten wird eine Schichthöhe von 200 Mikron verwendet.

Eine gute Haftung zwischen den abgeschiedenen Schichten ist für ein FDM-Teil sehr wichtig. Wenn der geschmolzene Thermoplast durch die Düse extrudiert wird, wird er gegen die vorherige Schicht gedrückt. Die hohe Temperatur und der hohe Druck schmelzen die Oberfläche der vorherigen Schicht wieder und ermöglichen das Verbinden der neuen Schicht mit dem zuvor gedruckten Teil.

Darüber hinaus ist die Stützstruktur für die Erstellung von Geometrien mit Überhängen in FDM unerlässlich. Der Träger wird normalerweise aus demselben Material wie das Teil gedruckt. Es gibt auch Trägermaterialien, die sich in Flüssigkeit lösen, aber sie werden hauptsächlich in High-End-Desktop- oder industriellen FDM-3D-Druckern verwendet.

FDM-Teile werden normalerweise nicht massiv gedruckt, um die Druckzeit zu verkürzen und Material zu sparen. Stattdessen wird der äußere Umfang mit mehreren Durchgängen verfolgt, die als Hülle bezeichnet werden, und der innere Umfang wird mit einer inneren Struktur niedriger Dichte gefüllt, die als Füllung bezeichnet wird.

Füllung und Schalendicke beeinflussen die Festigkeit eines Teils stark. Bei Desktop-FDM-Druckern beträgt die Standardeinstellung 25% Fülldichte und 1 mm Schalendicke. Dies ist ein guter Kompromiss zwischen Stärke und Geschwindigkeit für schnelle Drucke.

Die interne Geometrie von FDM-Drucken mit unterschiedlicher Füllungsdichte

Wasserdichtigkeit

Jedes 3D-Modell, das für den 3D-Druck vorgesehen ist, sollte vollständig vielfältig (wasserdicht) sein: Jede Kante sollte mit genau 2 Polygonen verbunden sein und das Modell darf keine Löcher enthalten.
Modelle, die nicht vielfältig sind, werden möglicherweise von der Software falsch interpretiert, die die Anweisungen für den 3D-Drucker (Slicer) generiert. Ein nicht mannigfaltiges 3D-Modell kann inkonsistente Ebenen, Löcher oder andere Fehler verursachen und das Objekt nicht druckbar machen.

Nicht vielfältige Probleme sind in der Modellierungsphase häufig nicht sichtbar. Der einfachste Weg, um zu überprüfen, ob ein Modell druckbar ist, ist die Verwendung einer Analysesoftware wie Netfabb oder Meshmixer. Diese Programme erkennen Modellfunktionen, die beim 3D-Druck Probleme verursachen, und bieten Reparaturoptionen (ohne die Gesamtgeometrie des Modells zu beeinträchtigen).

Wasserdichtigkeit

Gebogene Flächen

Die meisten CAD-Modellierungssoftware wie Solidworks und Fusion360 verwenden ungleichmäßige Rational Basis Splines (NURBS), um die Oberflächen eines 3D-Modells anzuzeigen. Beim Exportieren Ihres Modells in das STL-Dateiformat für den 3D-Druck ist es wichtig, dass eine ausreichende Anzahl von Polygonen zur Darstellung seiner Oberflächen verwendet wird. Dadurch wird sichergestellt, dass das Teil ein 3D-Druck mit einem glatten Erscheinungsbild ist.

Wenn das 3D-Modell mit zu wenigen Polygonen exportiert wird, sind die Kanten, die einzelne Polygone verbinden, im endgültigen 3D-Druckteil häufig sichtbar. Dieser Effekt ist bei großen Modellen (größer als 300 mm3) stärker ausgeprägt, bei denen die Polygone auf gekrümmten Oberflächen besser sichtbar werden.

Wenn das 3D-Modell mit zu vielen Polygonen exportiert wird, ist seine Dateigröße unnötig groß, was die Handhabung erschwert und keinen Einfluss auf die endgültige Qualität des gedruckten Teils hat, da winzige Details nicht in 3D gedruckt werden können.

Glücklicherweise exportieren die meisten Modellierungssoftware 3D-Modelle mit einer angemessenen Anzahl von Polygonen unter Verwendung der Voreinstellung, was zu glatten 3D-gedruckten Teilen führt. Wenn eine höhere Polygonzahl erforderlich ist, können die Exporteinstellungen entsprechend angepasst werden.

Weitere Informationen zur Dateifixierung für den 3D-Druck finden Sie in den folgenden Artikeln:

Ausreichende Anzahl von Polygonen

3D-Drucker-Materialien

Überblick der verwendeten 3D Druckmaterialien

Eine der Hauptstärken von FDM ist die große Auswahl an verfügbaren Materialien. Diese können von Standardthermoplasten (wie PLA und ABS) über technische Materialien (wie PA, TPU und PETG) bis hin zu Hochleistungsthermoplasten (wie PEEK und PEI) reichen.

Das verwendete Material beeinflusst die mechanischen Eigenschaften und die Genauigkeit des gedruckten Teils, aber auch den Preis. Die gängigsten FDM-Materialien sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

MaterialEigenschaften
ABGute Festigkeit
Gute Temperaturbeständigkeit
Anfälliger für Verwerfungen
PLAHervorragende visuelle Qualität
Leicht zu drucken mit
geringer Schlagfestigkeit
Nylon (PA)Hohe Festigkeit
Hervorragender Verschleiß und chemische Beständigkeit
Geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit
PETGLebensmittelsicher *
Gute Festigkeit
Leicht zu bedrucken
TPUSehr flexibel
Schwer zu drucken
PEIHervorragende Gewichtsfestigkeit
Hohe Kosten

* Die Kerben an der Grenzfläche der Schicht sind kritische Punkte für das Bakterienwachstum. Daher ist nach jedem Gebrauch eine gründliche Reinigung erforderlich.

Was folgt, ist eine detailliertere Darstellung der FDM-Grundmaterialien:

ABS

ABS wird normalerweise über PLA aufgenommen, wenn eine höhere Temperaturbeständigkeit und eine höhere Zähigkeit erforderlich sind.

VorteileNachteile
Kann mit Acetondämpfen für ein glänzendes Finish nachbearbeitet werdenUV-empfindlich
Kann mit Schleifpapier nachbearbeitet und mit Acrylfarben gestrichen werdenGeruch beim Drucken
Aceton kann auch als starker Klebstoff verwendet werdenPotenziell hohe Rauchemissionen
Gute Abriebfestigkeit

PLA

PLA ist das am einfachsten zu bedruckende Polymer und bietet eine gute visuelle Qualität. Es ist sehr steif und eigentlich ziemlich stark, aber sehr spröde.

VorteileNachteile
Biosourced, biologisch abbaubarNiedrige Feuchtigkeitsbeständigkeit
GeruchlosKann nicht einfach geklebt werden
Kann mit Schleifpapier nachbearbeitet und mit Acrylfarben gestrichen werden
Gute UV-Beständigkeit

Nylon

Nylon besitzt hervorragende mechanische Eigenschaften und insbesondere die beste Schlagfestigkeit für ein nicht flexibles Filament. Die Schichthaftung kann jedoch ein Problem sein.

VorteileNachteile
Gute chemische BeständigkeitSehr geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit
Potenziell hohe Rauchemissionen

PET

PET ist ein etwas weicheres Polymer, das gut gerundet ist und interessante zusätzliche Eigenschaften mit wenigen Hauptnachteilen besitzt.

VorteileNachteile
Lebensmittelsicher (FDA-Zulassung)
Hohe Feuchtigkeitsbeständigkeit
Hohe chemische Beständigkeit
Recycelbar
Gute Abriebfestigkeit
Kann mit Schleifpapier nachbearbeitet und mit Acrylfarben gestrichen werden
Kann geklebt werden

TPU

TPU wird hauptsächlich für flexible Anwendungen verwendet, aber seine sehr hohe Schlagfestigkeit kann sich für andere Anwendungen öffnen.

VorteileNachteile
Gute AbriebfestigkeitSchwierig nachzubearbeiten
Gute Beständigkeit gegen Öl und FettKann nicht einfach geklebt werden

PC

PC ist das stärkste Material von allen und kann eine interessante Alternative zu ABS sein, da die Eigenschaften ziemlich ähnlich sind.

VorteileNachteile
Kann sterilisiert werdenUV-empfindlich
Einfach nachzubearbeiten (Schleifen)

Die Auswahl des richtigen Polymers ist entscheidend, um die richtigen Eigenschaften für ein 3D-gedrucktes Teil zu erhalten, insbesondere wenn das Teil eine funktionale Verwendung hat.

Überhänge & Brücken

Eine Überbrückung in FDM tritt auf, wenn der Drucker zwischen zwei Stützen oder Ankerpunkten drucken muss. Da für die zu druckende Anfangsschicht keine Unterstützung angeboten wird (es gibt nichts, worauf man aufbauen kann) und eine Lücke „überbrückt“ werden muss, neigt das Material zum Durchhängen. Brücken treten am häufigsten in Löchern mit horizontaler Achse auf, die sich in den Wänden von Objekten oder in der obersten Schicht (oder dem Dach) von Hohlteilen befinden.

Eine Lösung zur Verringerung der Auswirkungen der Überbrückung besteht darin, den Abstand der Brücke zu verringern. Dies hängt jedoch von den Konstruktionsbeschränkungen des Teils ab. Eine andere Lösung, um ein Durchhängen zu vermeiden, besteht darin, Unterstützung einzuschließen. Der Support bietet eine temporäre Build-Plattform für die Bridging-Schicht, auf der aufgebaut werden soll. Das Trägermaterial wird dann entfernt, sobald der Druck abgeschlossen ist. Dies kann Spuren oder Beschädigungen auf der Oberfläche hinterlassen, auf der der Träger mit dem letzten Teil verbunden war.

 

Wichtige Überlegungen zum Design: Aufgrund der Art des FDM sind Durchbiegungen oder Markierungen vom Trägermaterial immer bis zu einem gewissen Grad vorhanden, es sei denn, die Brücke ist kleiner als 5 mm. Eine fortschrittliche Lösung besteht darin, das Design in separate Teile aufzuteilen oder eine Nachbearbeitung in Betracht zu ziehen, wenn eine ebene und glatte Oberfläche erforderlich ist.

Löcher mit vertikaler Achse

FDM druckt häufig Löcher mit vertikaler Achse, die zu klein sind. Das allgemeine Verfahren zum Drucken eines Lochdurchmessers und der Grund für die Verringerung des Durchmessers ist:

  • Wenn die Düse den Umfang eines Lochs mit vertikaler Achse druckt, wird die neu gedruckte Schicht auf die vorhandenen Aufbauschichten komprimiert, um die Haftung zu verbessern.
  • Die Druckkraft von der Düse verformt die extrudierte runde Schichtform von einem Kreis in eine breitere und flachere Form (siehe Abbildung unten).
  • Dies vergrößert den Kontaktbereich mit der zuvor bedruckten Schicht (Verbesserung der Haftung), erhöht aber auch die Breite des extrudierten Segments.
  • Dies führt zu einer Verringerung des Durchmessers des zu druckenden Lochs.
    Dies kann insbesondere beim Drucken von Löchern mit kleinem Durchmesser ein Problem sein, bei denen der Effekt aufgrund des Verhältnisses von Lochdurchmesser zu Düsendurchmesser größer ist.

Die Größe der Untergröße hängt vom Drucker, der Schneidesoftware, der Größe des Lochs und dem Material ab. Oft wird die Verringerung des Durchmessers von Löchern mit vertikaler Achse im Schneidprogramm berücksichtigt, aber die Genauigkeit kann variieren und es können mehrere Testdrucke erforderlich sein, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen. Wenn ein hohes Maß an Genauigkeit erforderlich ist, muss möglicherweise das Loch nach dem Drucken gebohrt werden.

Wichtige Überlegungen zum Design: Wenn der Durchmesser Ihres Lochs mit vertikaler Achse kritisch ist, wird empfohlen, es zu klein zu drucken und dann das Loch auf den richtigen Durchmesser zu bohren.

Überhänge

Probleme mit Überhang sind eines der häufigsten Probleme mit der Druckqualität im Zusammenhang mit FDM. Überhänge treten auf, wenn die bedruckte Materialschicht nur teilweise von der darunter liegenden Schicht getragen wird. Ähnlich wie beim Überbrücken kann die unzureichende Unterstützung durch die Oberfläche unter der Aufbauschicht zu einer schlechten Schichthaftung, Ausbeulung oder Kräuselung führen.

Ein Überhang kann in der Regel je nach Material ohne Qualitätsverlust bis zu 45 Grad bedruckt werden. Bei 45 Grad wird die neu gedruckte Ebene von 50% der vorherigen Ebene unterstützt. Dies ermöglicht eine ausreichende Unterstützung und Haftung, auf der aufgebaut werden kann. Oberhalb von 45 Grad ist eine Unterstützung erforderlich, um sicherzustellen, dass sich die neu gedruckte Schicht nicht nach unten und von der Düse weg wölbt.

Ein weiteres Problem beim Drucken von Überhängen ist das Einrollen. Die neu gedruckte Schicht wird am Rand des Überhangs immer dünner, was zu einer unterschiedlichen Abkühlung führt, wodurch sie sich nach oben verformt (siehe Abbildung oben).

Wichtige Überlegungen zum Design: Einschränkungen bei Überhängen können durch die Verwendung von Stützen für Wandwinkel über 45 Grad beseitigt werden. Bei größeren Überhängen, bei denen Unterstützung erforderlich ist, sind Markierungen auf der endgültigen Oberfläche vorhanden, sofern sie nicht nachbearbeitet werden.

Ecken

Da die Druckdüse in FDM kreisförmig ist, haben Ecken und Kanten einen Radius, der der Größe der Düse entspricht. Dies bedeutet, dass diese Merkmale niemals perfekt quadratisch sind.

Für scharfe Kanten und Ecken sind die ersten Schichten eines Drucks besonders wichtig. Wie oben für vertikale Löcher erläutert, komprimiert die Düse beim Drucken jeder Schicht das Druckmaterial nach unten, um die Haftung zu verbessern. Für die anfängliche Druckschicht entsteht eine Fackel, die oft als "Elefantenfuß" bezeichnet wird. Dies kann die Montage von FDM-Teilen beeinträchtigen, da diese Fackel außerhalb der angegebenen Abmessungen hervorsteht.

Seitenansicht der Elefantenfußfunktion, die auf den Basisschichten eines FDM-Drucks auftreten kann
Ein weiteres Problem, das häufig in Bezug auf die erste Druckschicht eines FDM-Drucks auftritt, ist das Verziehen. ABS ist aufgrund seiner hohen Drucktemperatur im Vergleich zu PLA anfälliger für Verwerfungen. Die Basisschicht ist die erste Schicht, die gedruckt wird, und kühlt ab, wenn die anderen heißen Schichten darauf gedruckt werden. Dies führt zu einer unterschiedlichen Abkühlung und kann dazu führen, dass sich die Basisschicht beim Schrumpfen und Zusammenziehen von der Bauplatte aufrollt und von dieser wegbewegt.

Das Hinzufügen einer Fase oder eines Radius entlang der Kanten des Teils, das mit der Bauplatte in Kontakt steht, verringert die Auswirkungen dieser Probleme. Dies hilft auch beim Entfernen der Komponente von der Bauplatte, sobald der Druck abgeschlossen ist.

Wichtige Überlegungen zum Design: Wenn die Montage oder die Gesamtabmessungen für die Funktion eines FDM-Teils entscheidend sind, fügen Sie an allen Kanten, die die Bauplatte berühren, eine Fase oder einen Radius von 45 ° hinzu. Für hochpräzise Form- und Passformtests werden andere Technologien wie SLA oder Polyjet empfohlen.

Faustregeln

Wenn eine Brücke 5 mm überschreitet, können Durchbiegungen oder Markierungen vom Trägermaterial auftreten. Durch Aufteilen des Designs oder Nachbearbeitung kann dieses Problem behoben werden.
Bei kritischen vertikalen Lochdurchmessern wird das Bohren nach dem Drucken empfohlen, wenn eine hohe Genauigkeit gewünscht wird.
Durch die zusätzliche Unterstützung können FDM-Drucker Wandwinkel von mehr als 45 Grad drucken.
Fügen Sie an allen Kanten eines FDM-Teils, das die Bauplatte berührt, eine Fase oder einen Radius von 45 ° ein.
Fügen Sie für Anwendungen mit kleinen vertikalen Stiften ein kleines Filet an der Basis hinzu oder setzen Sie stattdessen einen Stift von der Stange in ein gedrucktes Loch ein.
Das Teilen eines Modells, das Neuausrichten von Löchern und das Festlegen der Aufbaurichtung sind alles Faktoren, die die Kosten senken, den Druckprozess beschleunigen und die Festigkeit und Druckqualität eines Designs verbessern können.

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