Konstruktionsrichtlinien

Was ist das FDM-Druckverfahren?

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein additives Fertigungsverfahren, das die Technik der Materialextrusion nutzt. FDM wird auch als Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet und ist die am häufigsten verwendete 3D-Drucktechnologie.

Wie entwirft man für den FDM-Druck?

Um die besten Ergebnisse zu erzielen, sollten Sie beim Entwurf eines Teils für den FDM-Druck die Möglichkeiten und Einschränkungen von FDM berücksichtigen.


Überbrückung (Bridging)

Überbrückung tritt beim FDM-Druck auf, wenn der Drucker zwischen zwei Stützen oder Ankerpunkten drucken muss. Da es nichts gibt, worauf man aufbauen könnte, wird die erste zu druckende Schicht nicht unterstützt und das Material neigt zum Durchhängen. Am häufigsten treten Brücken in Löchern mit horizontaler Achse auf, die sich in den Wänden von Objekten oder in der obersten Schicht (oder dem Dach) von Hohlkörpern befinden.

Eine Lösung besteht darin, den Abstand der Brücke zu verringern, aber die Auswirkungen dieser Maßnahme hängen von den Designvorgaben des Teils ab. Eine andere Lösung zur Vermeidung des Durchhängens ist das Einbeziehen einer Stütze. Die Stütze bietet eine temporäre Plattform, auf der die Überbrückungsschicht aufgebaut werden kann. Das Stützmaterial wird nach Abschluss des Druckvorgangs entfernt, kann aber Spuren auf der Oberfläche hinterlassen oder die Oberfläche beschädigen, an der das Stützmaterial mit dem fertigen Teil verbunden war. 

Wichtige Designüberlegung: Aufgrund der Beschaffenheit von FDM sind Durchbiegungen oder Abdrücke des Stützmaterials in gewissem Maße immer vorhanden, es sei denn, die Brücke ist kleiner als 5 mm. Wenn eine glatte, ebene Oberfläche erforderlich ist, besteht eine fortschrittliche Lösung darin, das Design in separate Teile aufzuteilen oder eine Form der Nachbearbeitung durchzuführen.


Löcher in der vertikalen Achse

Mit FDM werden häufig unterdimensionierte Löcher für die vertikale Achse gedruckt. Der Druckprozess für ein solches Loch und der Grund für die Verringerung seines Durchmessers lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Während die Düse den Umfang eines Lochs mit vertikaler Achse druckt, drückt sie die neu gedruckte Schicht auf die vorhandenen Schichten, um die Haftung zu verbessern.

Die Kompressionskraft der Düse verformt die extrudierte runde Schichtform von einem Kreis in eine breitere, flachere Form.

Dadurch wird die Kontaktfläche mit der zuvor gedruckten Schicht vergrößert, was die Haftung verbessert, aber auch das extrudierte Segment verbreitert.

Dies führt zu einer Verringerung des gedruckten Lochdurchmessers. Diese Verringerung kann vor allem beim Drucken von Löchern mit kleinem Durchmesser ein Problem darstellen, wobei der Effekt aufgrund des Verhältnisses von Lochdurchmesser zu Düsendurchmesser größer ist.

Die Abweichung zwischen dem Slicer-Programm und dem tatsächlichen Durchmesser der vertikalen Löcher ist auf die Kompression des extrudierten Profils zurückzuführen.

Das Ausmaß der Unterdimensionierung hängt vom Drucker, der Slicing-Software, der Lochgröße und dem Material ab. Die Verringerung des Durchmessers der vertikalen Achsenlöcher wird oft vom Slicer-Programm berücksichtigt, aber die Genauigkeit kann variieren. Unter Umständen sind mehrere Testdrucke erforderlich, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen. Wenn ein hohes Maß an Genauigkeit erforderlich ist, kann es notwendig sein, das Loch nach dem Druck zu bohren.

Wichtige konstruktive Überlegung: Wenn der Durchmesser des Lochs für die vertikale Achse kritisch ist, empfiehlt es sich, es unterdimensioniert zu drucken und dann das Loch auf den richtigen Durchmesser zu bohren.


Überhänge (Overhangs)

Probleme mit Überhängen sind eines der häufigsten Probleme mit der FDM-Druckqualität. Überhänge entstehen, wenn die gedruckte Materialschicht nur teilweise von der darunter liegenden Schicht unterstützt wird. Wie bei der Brückenbildung kann die unzureichende Unterstützung durch die Oberfläche unter der Aufbauschicht zu einer schlechten Schichthaftung, Ausbeulung oder Wölbung führen.

3D-gedrucktes Teil, das die Auswirkungen eines zunehmenden Überhangwinkels auf die Druckqualität zeigt.

Die Auswirkung eines zunehmenden Überhangwinkels (in Schritten von 5°) auf die Druckqualität.

Je nach Material kann ein Überhang normalerweise bis zu 45° gedruckt werden, ohne dass die Qualität darunter leidet. Bei 45° wird die neu gedruckte Schicht von 50 % der vorherigen Schicht gestützt. Dies schafft ausreichend Halt und Haftung, um darauf aufzubauen. Bei einem Winkel von mehr als 45° ist eine Unterstützung erforderlich, um sicherzustellen, dass sich die neu gedruckte Schicht nicht nach unten und von der Düse weg wölbt.

Ein weiteres Problem, das beim Drucken von Überhängen auftritt, ist die Rollneigung. Die neu gedruckte Schicht wird an der Kante des Überhangs immer dünner. Dies führt zu einer unterschiedlichen Abkühlung, wodurch sie sich nach oben verformt.

Wichtige Designüberlegung: Sie können die Grenzen von Überhängen überwinden, indem Sie bei Wandwinkeln über 45° eine Stütze verwenden. Bei größeren Überhängen, die abgestützt werden müssen, ist mit Abdrücken auf der endgültigen Oberfläche zu rechnen, sofern sie nicht nachbearbeitet werden.


Ecken

Da FDM-Druckdüsen kreisförmig sind, haben Ecken und Kanten einen Radius, der der Düsengröße entspricht. Das bedeutet, dass diese Merkmale nie perfekt quadratisch sind.

Für scharfe Kanten und Ecken sind die ersten Schichten eines Drucks besonders wichtig. Wie oben bei den vertikalen Löchern beschrieben, drückt die Düse das Druckmaterial mit jeder Druckschicht nach unten, um die Haftung zu verbessern. Bei der ersten Druckschicht entsteht dadurch eine Ausbuchtung, die oft als "Elefantenfuß" bezeichnet wird. Diese Ausbuchtung ragt über die vorgegebenen Maße hinaus und kann die Montage von FDM-Teilen beeinträchtigen.

Abbildung eines Elefantenfußes in der Seitenansicht.

Seitenansicht eines "Elefantenfuß"-Merkmals, das auf den Basisschichten eines FDM-Drucks auftreten kann.

Ein weiteres häufiges Problem bei der ersten Schicht eines FDM-Drucks ist die Verformung. Im Vergleich zu PLA ist ABS aufgrund seiner hohen Drucktemperatur anfälliger für Verformungen. Die Basisschicht ist die erste Schicht, die gedruckt wird. Sie kühlt ab, während die anderen heißen Schichten aufgedruckt werden. Dies führt zu einer unterschiedlichen Abkühlung und kann dazu führen, dass sich die Basisschicht beim Schrumpfen und Zusammenziehen nach oben und von der Bauplatte weg wölbt.

Das Hinzufügen einer Fase oder eines Radius entlang der Kanten des Teils, das mit der Bauplatte in Kontakt ist, verringert die Auswirkungen dieser Probleme. Dies erleichtert auch das Entfernen des Bauteils von der Bauplatte, wenn der Druckvorgang abgeschlossen ist.

Wichtige Designüberlegung: Wenn die Montage oder die Gesamtabmessungen für die Funktion eines FDM-Bauteils entscheidend sind, sollten Sie an allen Kanten, die die Bauplatte berühren, eine 45°-Fase oder einen Radius vorsehen. Für hochpräzise Form- und Passgenauigkeitstests empfehlen wir andere Technologien wie SLA oder PolyJet.


Vertikale Stifte

Vertikale Stifte werden häufig mit FDM gedruckt, wenn die Montage von Teilen oder die Ausrichtung erforderlich ist. Es ist wichtig, die Größe der vertikalen Stifte zu kennen, die mit FDM genau gedruckt werden können, da diese Merkmale oft funktional sind.

Große Stifte (mit einem Durchmesser von mehr als 5 mm) werden mit einem Umfang und einer Füllung gedruckt, die eine starke Verbindung zum Rest des Drucks herstellen. Stifte mit kleinerem Durchmesser (weniger als 5 mm) können nur mit dem Umfang und ohne Füllung gedruckt werden. Dadurch entsteht eine Diskontinuität zwischen dem Rest des Drucks und dem Stift, was zu einer schwachen und bruchanfälligen Verbindung führt. Im schlimmsten Fall können kleine Stifte gar nicht gedruckt werden, weil nicht genügend Druckmaterial vorhanden ist, an dem die neu gedruckten Schichten haften können.

Druck von vertikalen Stiften mit abnehmendem Durchmesser (von 25 auf 5 mm), was zeigt, dass der obere Durchmesser zu klein wird, um genau zu drucken.

Eine korrekte Druckerkalibrierung (mit optimaler Schichthöhe, Druckgeschwindigkeit, Düsentemperatur usw.) kann die Wahrscheinlichkeit von Fehlern bei kleinen Stiften oft verringern. Durch das Hinzufügen eines Radius an der Basis des Stiftes wird dieser Punkt als Spannungskonzentration eliminiert und die Festigkeit erhöht. Für kritische Stifte mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm kann ein handelsüblicher Stift, der in ein gedrucktes Loch eingesetzt wird, die optimale Lösung sein.

Wichtige Designüberlegung: Wenn Ihr Entwurf Stifte mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm enthält, fügen Sie eine kleine Verrundung an der Basis des Stiftes hinzu. Wenn die Funktion von entscheidender Bedeutung ist, sollten Sie in Ihrem Entwurf ein Loch an der Stelle des Stifts vorsehen, das Loch in der richtigen Größe bohren und einen handelsüblichen Stift einsetzen.


Tipps für fortschrittliches FDM-Design

Wenn Sie mit FDM drucken, sollten Sie überlegen, wie Sie die erforderliche Unterstützung, die Ausrichtung eines Teils und die Richtung, in der das Teil auf der Bauplattform gebaut wird, reduzieren können.


Teilen Sie Ihr Modell

Durch die Aufteilung eines Modells lässt sich dessen Komplexität oft reduzieren, was Kosten und Zeit spart. Überhänge, die eine große Menge an Unterstützung erfordern, können durch einfaches Aufteilen einer komplexen Form in Abschnitte, die einzeln gedruckt werden, entfernt werden. Falls gewünscht, können die Abschnitte nach Abschluss des Drucks zusammengeklebt werden.


Ausrichtung von Löchern

Der beste Weg, um Stützmaterial für Löcher zu vermeiden, ist die Änderung der Druckausrichtung. Das Entfernen von Stützmaterial in Bohrungen mit horizontaler Achse kann oft schwierig sein, aber eine Drehung der Baurichtung um 90° beseitigt die Notwendigkeit von Stützmaterial. Bei Bauteilen mit mehreren Löchern in verschiedenen Richtungen sollten Sie Sacklöchern den Vorrang geben, gefolgt von Löchern mit kleinstem bis größtem Durchmesser und dann der Kritikalität der Lochgröße.

Durch die Neuausrichtung von Bohrungen mit horizontaler Achse kann die Notwendigkeit einer Unterstützung entfallen.

Die Neuausrichtung von Bohrungen in der horizontalen Achse kann die Notwendigkeit einer Abstützung beseitigen.


Baurichtung

Aufgrund des anisotropen Charakters des FDM-Drucks ist es für den Erfolg eines Designs entscheidend, die Anwendung eines Bauteils und die Art und Weise, wie es gebaut wird, zu verstehen. FDM-Bauteile sind in einer Richtung aufgrund der Schichtausrichtung von Natur aus schwächer.

Das Fehlen durchgehender Materialpfade und die durch jede Schichtverbindung entstehende Spannungskonzentration tragen zu dieser Schwäche bei. Da die Schichten als rundes Rechteck gedruckt werden, sind die Verbindungen zwischen den einzelnen Schichten eigentlich kleine Täler. Dadurch entsteht eine Spannungskonzentration, die zur Rissbildung neigt.

FDM-Werkstoffe

Material Eigenschaften

ABS 

+ Gute Festigkeit

+ Gute Temperaturbeständigkeit

- Anfälliger für Verformungen


PLA 

+ Ausgezeichnete visuelle Qualität

+ Leicht zu bedrucken

- Geringe Schlagzähigkeit


Nylon (PA) 

+ Hohe Festigkeit

+ Ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und chemische Beständigkeit

- Geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit


PETG 

+ Lebensmittelecht*

+ Gute Festigkeit

+ Leicht zu bedrucken


TPU 

+ Sehr flexibel

- Schwierig, genau zu drucken


Bewährte Verfahren für den FDM-3D-Druck