Sammlung von Designprinzipien und Praxistipps für 3D-Druck
(blog.rahix.de)- Beim Erstellen funktionaler Bauteile mit FDM/FFF sind andere Entscheidungen nötig als beim Design für herkömmliche Fertigung; entscheidend ist ein Formdesign, das Festigkeit, Toleranzen, Druckbarkeit und Kosten gemeinsam in Einklang bringt
- Als Referenzumgebung dient ein verbreiteter FFF-Drucker mit 0,4-mm-Düse und 0,2-mm-Schichthöhe; angestrebt wird ein portables Design, das nicht auf das Tuning bestimmter Geräte angewiesen ist
- Die Festigkeit hängt stärker von Druckausrichtung, Außenwänden, großen Querschnitten sowie lastführenden Pfaden und der Platzierung von Material an der Oberfläche ab als von 100 % Infill
- Toleranzen und Oberflächenqualität werden stark von der Wahl der Geometrie beeinflusst; bei horizontalen Löchern, vertikalen Löchern und Presssitzen sollte man nicht stur auf Kreisformen bestehen, sondern Tropfenformen, flache Dächer, sechseckige oder quadratische Löcher, Crush Ribs usw. in Betracht ziehen
- Um das Entfernen von Supports und die Montagezeit zu reduzieren, sollten Bauteilaufteilung, Opferschichten, sequenzielles Bridging, Funktionsintegration sowie Heat-Set-Inserts, integrierte Muttern und Embedded Hardware von Anfang an mitentworfen werden
Designumfang und Grundannahmen
- Ziel ist FDM/FFF-Druck; viele Regeln sind auf die Einschränkungen dieses Verfahrens zugeschnitten und lassen sich nicht unverändert auf andere additive Fertigungsverfahren übertragen
- Der Fokus liegt auf funktionalen Bauteilen statt auf Optik
- Sie müssen gute mechanische Eigenschaften haben
- Sie müssen leicht zu drucken sein
- Sie sollten nicht viel Feintuning des Druckers erfordern
- Bei großen Stückzahlen sollten Nachbearbeitung und Materialverschwendung gering sein
- Das Designziel ist ein Gleichgewicht aus Kräften, Fertigungsverfahren und Kosten
- Die Geometrie wird an die Kräfte angepasst, die übertragen oder ausgehalten werden müssen
- Kleine Geometrieänderungen senken die Druckschwierigkeit
- Materialverbrauch und Druckzeit werden reduziert
- Während Entwickler von Druckern und Slicern versuchen, möglichst alle Geometrien besser druckbar zu machen, passt der Designer die Bauteilgeometrie so an, dass sie im aktuellen Fertigungsprozess gut funktioniert
- Modelle zum Teilen sollten nicht auf enge Toleranzen eines bestimmten High-End-Druckers setzen, sondern ein portable design anstreben, das sich auch auf günstigen Druckern einfach ausgeben lässt
Referenzprofil des Druckers
- Die empfohlenen Zahlenwerte basieren auf folgendem Standard-Druckerprofil
- 0,4-mm-Düse
- 0,2-mm-Schichthöhe
- keine großen Maßabweichungen durch Fehler in der steps/mm-Einstellung, und skew zwischen den Achsen ist vernachlässigbar
- die Druckgeschwindigkeit ist angemessen getunt, aber Artefakte wie leichter Overshoot und Ringing können verbleiben
- Bridging über vernünftige Distanzen ist stabil
- Overhangs werden sauber gedruckt
- Solange die Geometrie nicht extrem ist, ist Betthaftung kein Problem
- Diese Annahmen sind die Grundlage, um ein portables Design beizubehalten, ohne übermäßige Geräteleistung vorauszusetzen
Design für Bauteilfestigkeit
- FFF-Druckteile sind innen teilweise hohl und werden schichtweise aufgebaut, daher verhalten sie sich anders als ein homogener Kunststoffblock
- Durch den schichtweisen Herstellungsprozess haben sie Anisotropie, also je nach Richtung unterschiedliche mechanische Eigenschaften
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Druckausrichtung und Lasten
- Die wichtigste Regel ist, das Bauteil so zu platzieren, dass Zugkräfte parallel zur Druckebene verlaufen
- Gegen Zug in Richtung des Aufreißens der Schichten sind Druckteile deutlich schwächer
- In Tests von My Tech Fun kann die Festigkeit in idealer Ausrichtung etwa dreimal höher ausfallen
- Auch Biegung erzeugt in Teilen des Querschnitts Zugkräfte, daher sollte auch das Biegemoment parallel zur Druckebene ausgerichtet werden
- Geometrien, die sich wie ein Clip wiederholt biegen, brechen bei falscher Ausrichtung leicht
- Beim Teilen von Modellen auf Plattformen wie Printables ist es sinnvoll, die Datei in der korrekten Druckausrichtung hochzuladen, damit Nutzer sie direkt drucken können
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Wenn eine einzige Ausrichtung nicht reicht
- Gibt es bei einem komplexen Bauteil keine ideale Ausrichtung für alle Lasten, kann man das Bauteil in mehrere Teile aufteilen
- Jedes Teil wird einzeln in der optimalen Ausrichtung gedruckt
- Verbindungen wie ein dovetail joint sind für die Montage nützlich, weil sie in mehreren Ausrichtungen gut druckbar sind
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Oberfläche und Querschnitt statt Infill
- 100 % Infill kann die Festigkeit erhöhen, ist aber nicht effizient
- Ein erheblicher Teil des zusätzlichen Materials trägt möglicherweise nicht zur Festigkeit bei und erhöht nur Druckzeit und Materialverbrauch
- Viele Bauteile werden eher durch Biegemomente belastet als durch reine Zug- oder Druckkräfte; die Spannung ist nahe der Oberfläche, weit weg von der neutralen Achse, am größten
- Beim 3D-Druck ist es für die Festigkeit effektiver, die Zahl der Perimeter/Shells zu erhöhen, als den Infill-Anteil zu steigern
- Kräfte sollten möglichst über kurze und gerade Pfade fließen
- Scharfe Ecken konzentrieren Spannungen, während Fillets den Kraftpfad direkter machen und damit der Festigkeit zugutekommen
- Im traditionellen Maschinenbau reduziert man Querschnittsflächen, um Material und Gewicht zu sparen; beim 3D-Druck ist das Innere aber größtenteils hohl, sodass ein größerer Querschnitt den Materialverbrauch nicht unbedingt stark erhöht
- Da die Oberfläche den Materialverbrauch stärker beeinflusst, kann ein rechteckiger Querschnitt mit denselben Außenmaßen ähnlich stark oder stärker sein als ein I-beam und zugleich bessere Druckzeiten ermöglichen
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Simulation und Testdrucke
- FFF-Druckteile sind wegen Shell und Infill inhomogen, sodass sich Grenzlasten mit klassischen Festigkeitssimulationen nur schwer realistisch berechnen lassen
- Spannungsanalysen können helfen, kritische Bereiche zu finden, eignen sich aber nicht, um exakte Grenzlasten zu bestimmen
- Da die Kosten für Prototypen im 3D-Druck niedrig sind, kann es kosteneffizient sein, einige Teile tatsächlich zu drucken und ihre mechanischen Eigenschaften zu prüfen
- Eine Methode, die Maßgenauigkeit nur über Testdrucke abzustimmen, erfordert Vorsicht, weil sie von einem bestimmten Drucker und bestimmten Slicer-Einstellungen abhängt
- Topology optimization kann für andere additive Fertigungsverfahren nützlich sein, mit heutigen Tools ist es jedoch schwierig, wirklich für FFF optimale Geometrien zu erzeugen, und oft ist auch die Druckbarkeit schlecht
Toleranzen und Oberflächenqualität
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Wahl zwischen chamfer und fillet
- Für Kanten, die parallel zur Druckfläche verlaufen, ist ein chamfer besser geeignet
- Ein fillet kann anfangs einen sehr steilen Überhang erzeugen, und ein oberes fillet zeigt deutliche Layer-Stufen, was die Oberflächenqualität verschlechtert
- Ein chamfer erzeugt einen konstanten Überhangwinkel und damit gleichmäßigere Layer-Stufen
- Für Kanten, die senkrecht zur Druckfläche stehen, ist ein fillet besser geeignet
- Der Druckkopf muss keine scharfe Ecke umfahren, wodurch Oberflächenartefakte wie Ringing und Overshoot reduziert werden
- Ein chamfer erzeugt zwei scharfe Ecken, was sich nachteilig auf Toleranzen und Optik auswirken kann
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Löcher und seam
- Horizontale runde Löcher werden oben zu einem steilen Überhang, wodurch die Probleme größer werden
- Für kleine Löcher passt eine 90°-Tropfenform gut, bei großen Löchern kann die Oberseite als flaches roof ausgeführt werden
- Da eine bridge leicht durchhängen kann, ist unter dem roof zusätzliches Spiel erforderlich
- Bei vertikalen runden Löchern können die Toleranzen wegen des perimeter seam schwanken
- Seam-Artefakte können einen Vorsprung von etwa 0,4 mm erzeugen, selbst wenn der restliche Umfang auf unter 0,1 mm passt
- Wenn der seam nur an einer Position entsteht, kann sich auch die Mittellinie des Lochs verschieben
- Vertikale Löcher lassen sich als Tropfenform mit 120°-Ecke ausführen, damit der seam nicht in den runden Funktionsbereich eingreift
- Wenn andere Funktionsbereiche empfindlich auf den seam reagieren, kann man eine kleine notch hinzufügen, damit der Slicer die schärfste Ecke hat, an der er den seam verstecken kann
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Erwartbare FFF-Toleranzen
- Konstrukteure sollten nicht vorgeben, welche Toleranz ein bestimmter Drucker erreichen muss, sondern die Toleranzen des Fertigungsprozesses akzeptieren und entsprechend konstruieren
- Voraussetzung ist, dass der Drucker gut kalibriert ist
- Falsch eingestellte steps/mm erzeugen einen konstanten proportionalen Fehler in den Achsmaßen; das Design sollte das nicht kompensieren
- Die theoretische step resolution moderner Drucker liegt bei etwa 0,01 mm, in der Praxis sind für Maßabweichungen jedoch andere Faktoren wichtiger
- Scharfe Ecken verlangen dem Druckkopf hohe Beschleunigungen ab und können daher die Toleranz verschlechtern
- Bei verbreiteten FFF-Druckern mit 0,4-mm-Düse und 0,2-mm-Layerhöhe ist eine Abweichung von etwa ±0,1 mm pro Oberfläche ein sicherer Richtwert
- Bei kreisförmigen Bahnen neigen Kreise dazu, kleiner zu werden, weil die Düse die Extrusionslinie mitzieht
- Bei inneren runden Löchern ist mit einer Abweichung in Richtung kleinerer Maße zu rechnen; auch äußere runde Durchmesser können kleiner werden, jedoch weniger stark als innere Kreise
- Bei großen Abmessungen werden warping und shrinkage während des Abkühlens wichtiger als die Toleranzen des Druckers selbst
- Warping hängt stark vom Material ab und nimmt bei voluminösen Formen mit weniger scharfen Kanten sowie glatten, runden Oberflächen ab
- Die ideale Form ist kugelförmig
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Wenn Präzision nötig ist
- Der goldilocks approach, bei dem man über Testdrucke die exakt passenden CAD-Maße findet, kann dank hoher Wiederholbarkeit sehr gute Toleranzen liefern
- Nachteil ist die starke Abhängigkeit von einem bestimmten Drucker und bestimmten Slicer-Einstellungen, wodurch portable design leidet
- Wenn sich etwas nicht präzise herstellen lässt, ist Einstellbarkeit eine Alternative
- Ein oblong hole kann mit einer Schraube in Position gedrückt werden, Feineinstellungen unter 1 mm sind jedoch schwierig
- Eine opposing screw eignet sich gut für kleine Höhenkorrekturen, erfordert aber Zugang von beiden Seiten und ist umständlich einzustellen
- Eine grub screw, der eine spring oder flexure entgegenwirkt, erleichtert die Verstellung in beide Richtungen
- Eine spring steel shim eignet sich für kleine, selten geänderte Justagen; ein 3D-gedrucktes shim kann bei geringer Höhe jedoch durch Oberflächenfehler die Genauigkeit beeinträchtigen
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engineering fit und Presspassung
- Traditionelle Passungssysteme wie ISO 286 sind nützlich, wenn mit bestimmten Toleranzen gefertigt werden kann, lassen sich beim 3D-Druck aber meist nicht direkt verwenden
- Wenn wirklich enge fits nötig sind, kann man Löcher nachreiben und so etwa einen H6 fit nachbearbeiten, der Aufwand ist aber hoch, wenn es nicht unbedingt erforderlich ist
- Für einen clearance fit sollte der Abstand zwischen zwei Teilen größer als das Doppelte der Druckertoleranz sein
- Bei einem interference fit ändert sich die Montagekraft stark mit der Toleranz; im schlimmsten Fall kann die Verbindung brechen
- Für Presspassungs-Löcher sind sechseckige oder quadratische Löcher toleranter als runde
- Runde Löcher müssen ihren Umfang vergrößern und führen dadurch leicht zu Materialbruch; Sechsecke und Quadrate können größere Durchmesser durch Biegung aufnehmen, und der seam lässt sich in einer Ecke verstecken
- Für Presspassungen mit großem Durchmesser kann man eine crush rib verwenden
- Beim Zusammenbau verformt sich die rib plastisch und nimmt Toleranzen auf; es ist leichter, die Kraft zu begrenzen, wenn nur kleine ribs statt der gesamten Kontaktfläche verformt werden
- Eine crush rib eignet sich für einen einmalig montierten press fit; bei erneuter Montage nimmt die Haltekraft stark ab
- Als Beispielwerte lieferten eine um 0,2 mm kleinere crush rib und ein um 0,4 mm größerer bore gute Ergebnisse
- Für press fits, die wiederholt montiert werden müssen, ist eine grip fin mit elastischer Verformung besser geeignet
Optimierung des Druckprozesses
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support material reduzieren
- support material ist scaffolding zum Drucken von frei schwebenden Geometrien, bringt aber Nacharbeit beim Entfernen, zusätzlichen Materialverbrauch sowie schlechtere Toleranzen und Oberflächenqualität der supported surface mit sich
- Vorrangig sollte die Geometrie schon in der Konstruktion so geändert werden, dass kein support nötig ist
- Die Druckausrichtung beeinflusst nicht nur die Festigkeit, sondern auch den Bedarf an support erheblich
- Die für Festigkeit günstige Ausrichtung kann mit der Ausrichtung kollidieren, die support vermeidet
- Wenn man eine rechteckige Form nicht an den Druckerachsen ausrichtet, sondern um etwa 45° geneigt druckt, lassen sich lange bridges oder support vermeiden und die Oberflächenqualität gleichmäßiger machen
- In diesem Fall kann die Druckstabilität sinken, sodass ein brim nötig sein kann
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Bauteilaufteilung und interne Überhänge
- Wenn sich support in keiner Ausrichtung vermeiden lässt, kann man prüfen, das Bauteil in mehrere Teile aufzuteilen
- Das ist ein Kompromiss zwischen Nacharbeit am support und Montagekomplexität
- Bei Einzelstücken oder Kleinserien kann eine etwas komplexere Montage gerechtfertigt sein
- Ein upside-down counterbore lässt wegen des mittigen Lochs eine bridge nicht sofort funktionieren; setzt man support ein, ist er im Inneren des Lochs schwer zu entfernen
- Eine Opferschicht verschließt das gesamte Loch mit einer bridge in Layerdicke, stützt dadurch das obere kleinere Loch und wird nach dem Druck mit Messer oder Bohrer entfernt
- Der overhanging counterbore trick ist eine Methode, um einen counterbore ohne Nacharbeit zu realisieren
- Den counterbore bis zur gewünschten Tiefe ausschneiden
- In einem Layer das inner hole aussparen und nur die linken und rechten bridges stehen lassen
- Im nächsten Layer nur bridges in rechtwinkliger Richtung stehen lassen
- Anschließend das runde inner hole auf den kleinen bridges drucken
- Bei größerem Durchmesser stößt auch diese Methode an Grenzen
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Sequentielles Bridging und Minimierung der Oberfläche
- Sequential bridging, bei dem eine bridge auf eine andere bridge gesetzt wird, ermöglicht komplexe Geometrien ohne support
- Das OpenFlexure microscope ist ein Beispiel, das diese Methode umfangreich nutzt
- Bei großen bridges ist es besser, einige Layer aufzubauen, um Festigkeit und Abkühlzeit zu gewinnen, statt direkt darüber Strukturen zu platzieren
- Die traditionelle Methode, zur Materialeinsparung cutouts einzubauen, kann beim 3D-Druck im Gegenteil Materialverbrauch und Druckzeit erhöhen
- Da viel Material in Oberflächen fließt, sollte man die Oberfläche reduzieren und dicke, voluminöse Formen bevorzugen
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Betthaftung und Massendruck
- Beim Massendruck muss die Kontaktfläche mit dem Bett kontrolliert werden
- Ist sie zu klein, kann das Teil während des Drucks umkippen; ist sie zu groß, lässt es sich nach dem Druck schwer lösen
- Statt eines brim kann man mouse ears direkt in die CAD-Geometrie einbauen
- mouse ears reduzieren Probleme mit der Betthaftung, müssen später nicht im Slicer hinzugefügt werden und verringern auch den Nachbearbeitungsaufwand
Funktionsintegration
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Vor- und Nachteile der Funktionsintegration
- Funktionsintegration ist ein Designansatz, bei dem ein Bauteil möglichst viele Funktionen übernimmt, um die Anzahl der Teile zu reduzieren
- 3D-Druck eignet sich gut für Funktionsintegration, da sich geometrische Komplexität kaum in den Fertigungskosten niederschlägt
- Wenn alle Funktionen in ein einziges Bauteil gelegt werden, kann die Wahl der Druckausrichtung eingeschränkt werden, und Festigkeit, Toleranzen sowie geometrische Freiheit können leiden
- Bei iterativem Design muss jedes Mal ein großes Modell neu gedruckt werden, und bei einem Defekt muss ein größeres Bauteil ersetzt werden
- Es ist auch möglich, manche Funktionen als separate Teile zu belassen, um Prototyping oder Reparaturen zu erleichtern
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Zip-Tie-Channel und Flexure
- Wenn man der Bauteiloberfläche kleine Zip-Tie-Channel hinzufügt, lassen sich Kabel oder Drähte fixieren
- Bei Zip-Tie-Channel muss die Druckausrichtung berücksichtigt werden; wenn die Perimeter den Channel nicht in einer Richtung bridgen, wird er schwächer und die Bridge kann herausreißen
- Eine Flexure ist ein Designelement, das Bewegung durch die Elastizität des Bauteils integriert
- Dafür sind dünne Geometrien nötig, was gut zum 3D-Druck passt
- Für große Bewegungen sind dünne Flexures vorteilhafter als dicke; die Kraft lässt sich erhöhen, indem mehrere dünne Flexures parallel gestapelt werden
- Der Verfahrweg kann vergrößert werden, indem man die Länge erhöht oder eine schlangenförmige Geometrie verwendet
- Flexures müssen so ausgelegt werden, dass sie sich im Betrieb nicht plastisch verformen; Hard Stops sollten übermäßige Bewegung und Bruch verhindern
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Clip, Living Hinge, Print-in-Place
- Clips können Bauteile ohne zusätzliche Verbindungselemente verbinden und werden daher auch im Design für 3D-Druck häufig eingesetzt
- Beim Clip-Design ist die Balance zwischen Verfahrweg, Haltekraft, Geometriegröße und Druckausrichtung wichtig
- Clips, die quer über Layer hinweg aufgebaut sind, können sehr schwach sein
- Oft ist es besser, die Bewegung klein zu halten und die Halterung über Kraft zu realisieren
- Formschlüssige Clips sollten Platz bieten, damit sie mit einem Werkzeug wie einem Schraubendreher gelöst werden können
- Ein Living Hinge ist ein Scharnier, das sich nicht um eine separate Achse dreht, sondern durch Verformung des Kunststoffs bewegt
- Damit sich eine dünne Kunststofffolie stabil verformen kann, muss das Scharnier flach auf dem Druckbett liegen; als Bridge-Layer gedruckte Living Hinges funktionieren schlecht
- Ein Print-in-Place-Mechanismus ist ein Verfahren, bei dem mehrere ineinandergreifende Teile ohne Montage in einem Durchgang gedruckt werden
- Damit lassen sich auch Gelenke herstellen, die nach dem Druck nicht montierbar wären; allerdings ist die Designkomplexität hoch, die Ausrichtung ist festgelegt, und das Vermeiden von Supports sowie die Festigkeitsauslegung werden schwierig
- Um schwebende Geometrien abzustützen, kann eine Break-away-Surface vorgesehen werden
- Ein Clearance von etwa 0,3 mm zwischen ineinandergreifenden Features scheint mit den meisten heutigen Druckern druckbar zu sein
Mechanische Elemente jenseits von Kunststoff
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Schraubverbindungen
- Schraubverbindungen in 3D-gedruckten Kunststoffteilen verhalten sich anders als Metallverbindungen
- Bei Metall-Metall-Verbindungen entsteht durch die Dehnung der Schraube eine Vorspannung; bei 3D-gedruckten Thermoplasten ist das Bauteil jedoch deutlich weniger steif als die Schraube, sodass der Großteil der Vorspannung durch die Kompression des Kunststoffs entsteht
- Beim Versuch, die erforderliche Vorspannung zu erreichen, kann man schnell die Streckgrenze des gedruckten Bauteils erreichen, sodass es sich verformt
- Für statische Lasten reicht das oft aus, bei dynamischen Lasten wie Vibrationen oder Stößen kann jedoch Schraubensicherung nötig sein
- Kontermutter
- Schraubensicherungskleber
- Schrauben sollten möglichst lang ausgelegt werden
- Lange Schrauben erleichtern es, das Bauteil unter Druckvorspannung statt Zug zu setzen; außerdem müssen sie stärker gedreht werden, um sie zu fest anzuziehen, wodurch die Gefahr versehentlichen Over-tightening sinkt
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Gewindeauswahl für gedruckte Teile
- In gedruckte Bauteile können Gewinde mit einem Gewindebohrer geschnitten werden
- Diese Methode eignet sich für schnelle Designs und Verbindungen mit geringer Wiederverwendung; Kunststoffgewinde werden jedoch durch Over-tightening leicht beschädigt und sind für wiederholte Montage ungünstig
- Große Gewinde ab M8 können auch in CAD modelliert und gedruckt werden, die Qualität ist jedoch nicht immer gut
- Rib Thread Forming kombiniert das Konzept von Crush Ribs mit Standardschrauben
- Die Schraube verformt die Ribs und erzeugt ihr eigenes Gewinde; das eignet sich für Gewinde mit geringer Wiederverwendung ohne Nachbearbeitung
- Ein Heat-set Threaded Insert ist eine Methode, ein starkes, wiederverwendbares Metallgewinde in das Bauteil einzusetzen
- Es ist stärker als ein Kunststoffgewinde, wird durch Over-tightening nicht so leicht beschädigt und hält wiederholte Montage gut aus
- Bei Konstruktionen, bei denen die Schraube von der Rückseite eingesetzt wird, kann es schwierig sein, diese Lösung zuverlässig zu verwenden
- Eine Embedded Nut ist eine kostengünstige Alternative, bei der eine Standardmutter in ein gedrucktes Bauteil eingesetzt wird
- Sie passt gut zu Through-Joints mit langen Schrauben und kann über einen Sideface-Cutout oder eine Backface-Hex-Pocket eingesetzt werden
- Während der Montage kann die Mutter herausfallen; man kann sie auch während des Drucks einlegen und einschließen, doch dadurch steigen Druck- und Montagekomplexität
- Die Gewindestärke übertrifft in den meisten Fällen die Designanforderungen; andere Faktoren wirken sich meist stärker aus
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Dowel Pin und Embedded Hardware
- Ein Dowel Pin ist im klassischen Maschinenbau ein Standardelement, um die Position zwischen Bauteilen präzise und wiederholbar festzulegen
- Beim 3D-Druck ist eine solche Genauigkeit wegen der Toleranzen weniger gefragt, und auch Engineering Fits für Pin Fits sind schwierig umzusetzen, was den Einsatzbereich begrenzt
- Bei Bedarf können sechskantige Löcher, Crush Ribs oder Nachbearbeitung Alternativen sein
- Das Einsetzen von Hardware während des Drucks funktioniert in folgender Reihenfolge
- In der Konstruktion wird eine Cavity für das einzusetzende Teil freigelassen
- Im Slicer wird direkt vor dem Layer über der Cavity eine Pause gesetzt
- Während der Pause wird die Hardware eingesetzt
- Der Druck wird fortgesetzt, wodurch die Hardware im Inneren eingeschlossen wird
- Beispiele sind ein Modern Gridfinity Case mit eingesetztem transparentem PETG-Sheet, trapped fastener, Magnet und Metallgewebe
- Embedded Hardware kann zusätzliche Gelenke oder Befestigungsmittel vermeiden, hat aber meist den Nachteil, dass sie sich ohne Zerstörung nur schwer entnehmen oder ersetzen lässt
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Drucken auf Fabric
- Wenn Fabric in den Druck integriert wird, lassen sich flexible Bauteile herstellen, die etwa für Wearables oder Cosplay genutzt werden
- Üblicherweise pausiert man den Druck nach etwa 2 bis 3 Layern, legt Tulle Fabric über die ersten Layer und setzt den Druck anschließend fort
- Die neuen Layer verschmelzen mit den darunterliegenden Layern, wodurch jedes gedruckte Stück am Fabric fixiert wird
- Über Anordnung und Geometrie der festen gedruckten Formen lässt sich die Flexibilität des Ergebnisses steuern
Aussehen und Oberflächengestaltung
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Komplexe Formen und Shadow Lines
- Beim 3D-Druck steigen die Herstellungskosten durch zusätzliche komplexe Oberflächenformen nicht wesentlich; der wichtigste Aufwand liegt in der Konstruktionszeit
- Solange die Einschränkungen für Überhänge und Support eingehalten werden, gibt es keinen Grund, sich auf traditionelle, von geraden Linien und rechten Winkeln geprägte Formen funktionaler Bauteile zu beschränken
- Komplexe oder organische Formen sind nicht nur für die Ästhetik, sondern auch für ergonomisches Design nützlich
- An der Kante, an der zwei Bauteile aufeinandertreffen, lässt sich eine Shadow Line erzeugen
- Direkt aneinanderliegende Flächen lassen die Naht wegen Oberflächenfehlern ungleichmäßig erscheinen
- Wenn man einen konstanten größeren Spalt vorsieht und den tatsächlichen mechanischen Kontakt hinter einer kleinen Lippe verbirgt, wirkt das Erscheinungsbild gleichmäßiger
- Wenn Staubschutz nötig ist, kann eine innere Lippe ergänzt werden, sodass eine Art Labyrinthdichtung entsteht
- Auch bei Bauteilen, die wie Deckel und Box in einem Winkel ineinandergreifen, lässt sich mit einem konstanten Offset und internen Ausrichtungsrippen eine Shadow Line erzeugen
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Oberflächentextur und Text
- Auf vertikalen Oberflächen aus dem 3D-Druck treten Layer Lines deutlich hervor
- Spezielle Druckbetten wie ein textured steel sheet können die Textur der Unterseite verbessern, wirken aber nur auf eine Fläche eines Bauteils
- Damit alle Flächen gleichmäßiger wirken, kann das Bauteil diagonal zum Druckbett gedreht werden
- Fuzzy Skin ist eine Funktion, die den Perimetern jeder Schicht Unregelmäßigkeiten hinzufügt, sodass Layer Lines weniger auffallen
- Richtig eingestellt verbessert sie auch die Haptik und wird häufig für Griffe und Handles verwendet
- In gedruckte Bauteile lassen sich Text oder Symbole leicht integrieren
- Bei größeren Konstruktionen können aufgedruckte Teilenummern und Revisionsindizes Verwechslungen reduzieren
- Text wird als Gravur sauberer als als erhabene Prägung; je kleiner die Schriftgröße, desto größer der Unterschied
- Wird Text senkrecht zur Druckfläche platziert, wird er als Teil der Perimeter-Linie gedruckt und liefert die besten Details
- Die meisten Drucker können Text mit einer minimalen Strichbreite von 0,6 mm und einer Gravurtiefe von 0,5 mm problemlos drucken
Design für Vase Mode
- Vase Mode druckt eine hohle Schale mit einer einzelnen Perimeter-Linie; statt einzelner Layer wird die Z-Höhe langsam erhöht und das Filament spiralförmig abgelegt
- Die Vorteile sind:
- 100 % der Druckzeit werden für Extrusion genutzt
- Es gibt keine einzelnen Layer-Seams
- Da der Drucker nicht anhält, entstehen keine Stringing-Probleme
- Es geht schnell, weil weniger Kunststoff nötig ist, um die Bauteilform darzustellen
- Durch den geringeren Filamentverbrauch lassen sich leichte Bauteile herstellen
- Der Nachteil ist, dass das Bauteil ohne innere Stützen sehr instabil wird
- Für die Festigkeit von Vase-Mode-Bauteilen ist die Oberflächenform am wichtigsten
- Flache oder nur in eine Richtung gekrümmte Oberflächen sind am schwächsten
- Komplexe Formen können eine höhere Festigkeit aufweisen
- Ein Beading Pattern ist ein Muster, das dünne Bauteile aus Sheet Material steifer macht, und kann zur Erhöhung der Steifigkeit von Vase-Mode-Bauteilen genutzt werden
- Vase Mode lässt sich auch als Methode verstehen, den Extrusionspfad des Druckers präzise zu steuern
- Damit lassen sich auch Formen erzeugen, die nicht wie typische Vase-Mode-Bauteile wirken, etwa das stapelbare Tray von FPacheco
- Der Vorteil von 100 % Druckzeit im Vase Mode bleibt erhalten
- Bei Bauteilen für die Massenproduktion kann das einen großen Einfluss haben
Wie die Regeln anzuwenden sind
- Diese Designregeln können als gute Standardwerte dienen, sind aber keine Gesetze
- Je nach Situation kann eine andere Wahl besser sein; Konstrukteure sollten Lasten, Toleranzen, Druckbarkeit, Montage, Reparatur und Kosten gemeinsam betrachten und beurteilen
- Wenn ausreichend Interesse entsteht, gibt es auch die Idee, daraus ein Open-Source-Buch zu entwickeln, in dem mehrere Personen Regeln ergänzen und überarbeiten können
3 Kommentare
Unter den Materialien, die ich gesehen habe, scheint dies wirklich zu den wenigen zu gehören, die erstklassige, fortgeschrittene Informationen so gut enthalten. Dass man solche Inhalte auf Koreanisch lesen kann … das freut mich sehr.
Bei Schrauben bin ich leider noch Anfänger und verwende daher eine Methode, die in meinem Umfeld eher aus Erfahrung weitergegeben wird: Ich schneide kein separates Gewinde, sondern setze einen zylindrischen Pfosten, der etwa 0,4 mm schmaler ist als der Schraubendurchmesser, und versehe den Eingang mit einer kurzen Fase in großem Winkel. Was halten Sie davon?
Wenn es zum Beispiel um M3 geht, verwende ich ein 2,6-mm-Loch und am Eingang eine Fase von 80° mit 0,3 mm Länge. Bei SLA gebe ich der Pfostenwand eine Dicke von mindestens 2 mm; bei FDM kenne ich zwar die genauen Spezifikationen der Person, die es für mich gedruckt hat, nicht, aber auch mit FDM hat es funktioniert.
Es handelt sich nicht um Teile, die hohe mechanische Festigkeit brauchen oder großen Kräften ausgesetzt sind, sondern eher um einfache Fixierteile, aber wenn man sieht, dass sie auch nach ein paar Stürzen noch völlig in Ordnung sind, scheint es überraschend gut zu funktionieren.🤔
Wenn es sich nicht um ein Teil handelt, das ständig zerlegt und wieder zusammengesetzt werden muss, scheint es sich in der Praxis nicht wirklich als Problem anzufühlen, einfach eine Schraube in einen einfachen Steg einzudrehen – solange man nur darauf achtet, dass sich das Teil je nach Layer-Richtung nicht aufspaltet.
Wenn wiederholtes Zerlegen und Zusammenbauen nötig ist, ist es wohl besser, Inserts einzusetzen, statt das Gewinde gleich mit zu drucken.
Im Kommentar-Tab stand:
"Als Methode, ein Gewinde direkt in ein gedrucktes Teil zu schneiden, sind Holzschrauben effektiv.
Holzschrauben können auch ohne Gewindebohrer ihr eigenes Gewinde formen.
Bei Druck mit PETG ist die Festigkeit ausreichend, aber PLA kann bei Löchern parallel zu den Schichten aufreißen."
Diesem Teil stimme ich zu.
Hacker-News-Kommentare
Hervorragender Artikel. Er liegt weit über dem Niveau der durchschnittlichen Teile, die auf Thingiverse oder Printables landen, aber gute Teile folgen am Ende ähnlichen Ideen.
Mausohren, Presspassungs-Bohrungen und die schichtweise abgestufte Ausrichtung, um scheinbar unmögliche Brücken zu erzeugen, sind besonders gut.
In Fusion 360 würde all das wohl im „plastics“-Modus konstruiert werden; interessant ist, dass dieser Modus sich überhaupt nicht darum kümmert, ob ein Teil gedruckt oder im Spritzguss gefertigt wird.
Bei PCBs habe ich strenge Design-Rule-Checks gesehen, und auch Blech-Makros, aber Unterstützung für fertigungsbewusstes Design, das Konstruktionen an die Grenzen von Standardausrüstung bindet, habe ich in allgemeiner mechanischer CAD-Software noch nicht gesehen.
https://github.com/WillAdams/gcodepreview
Benötigt wird https://pythonscad.org/, und ich konnte bisher das meiste umsetzen, was ich ausprobiert habe.
Ich bin gerade dabei, ein Modul für Holzverbindungen fertigzustellen, mit dem sich nahezu jede Holzkonstruktion bauen lassen sollte; bei Metall dürfte es nicht viel anders sein. Früher habe ich als Proof of Concept auch einmal ein Programm zum Gewindeschneiden erstellt.
Noch ist nicht klar, wie das konkret aussehen oder in den Workflow passen würde.
Mit passenden Erweiterungen lassen sich für Spritzgussteile auch EDA-artige Design Rules festlegen.
Es gibt auch mehrere spezialisierte Softwarepakete für die Analyse von Spritzgusskonstruktionen, aber preislich sind sie für Hobbyanwender weit außer Reichweite.
Das endgültige Design von 3D-Teilen ist jedoch zu nichtdeterministisch, und die Fertigungsverfahren sind sehr vielfältig und spezifisch, sodass es unter Umständen mehr Probleme schafft als Nutzen bringt.
Ingenieur:innen müssen verstehen, wie ein Teil gefertigt wird, bei Unklarheiten mit Maschinenbedienern sprechen und zwischen Konstruktionskomplexität und technischen Anforderungen abwägen.
Erstaunlicher Artikel. Noch einmal: wirklich erstaunlich.
Ich beschäftige mich seit sieben Jahren mit 3D-Druckern und habe mir während der Pandemie zu Hause selbst einen zusammengebaut. Einige der hier beschriebenen Themen habe ich durch Praxis bereits herausgefunden, und die meisten Leute mit 3D-Druck-Erfahrung dürften sie ebenfalls so gelernt haben.
Aber all das auf diesem Niveau zu recherchieren, zu ordnen und zu erklären, ist wirklich beeindruckend. Außerdem werden viele Themen behandelt, die ich noch lernen muss.
Fantastischer Artikel. Er fasst etliche Kniffe, die man sich über Jahre aneignet, sauber zusammen.
Ein weiterer nützlicher Trick, um Material im Druck zu sparen, ist, Oberflächen gar nicht erst zu drucken. Der Großteil der Masse eines Druckteils steckt in den Außenwänden; wenn obere oder untere Flächen für die Funktion des Teils nicht wichtig sind, kann man eine davon entfernen.
Der Slicer kann das von diesen Flächen umschlossene Volumen weiterhin mit Infill füllen, und mit planaren Infill-Mustern wie geradlinig, hexagonal oder dreieckig sieht das Ergebnis ebenfalls ziemlich gut aus. Besonders gut funktioniert das bei überwiegend flachen Teilen.
Ich nutze täglich zwei TPU-Teile, die ich auf diese Weise gedruckt habe: eine Smartphone-Hülle [0] und einen Entlastungsriemen für Kopfhörer [1].
[0] https://www.printables.com/model/615154-google-pixel-8-case
[1] https://www.printables.com/model/577575-hifiman-comfort-stra...
Der beste Beitrag zum 3D-Druck, der in den letzten Jahren auf HN erschienen ist.
Viele der hier beschriebenen Konstruktionsüberlegungen fallen unter nachgiebige Mechanismen.
https://en.wikipedia.org/wiki/Compliant_mechanism
https://www.youtube.com/results?search_query=compliant+mecha...
Hervorragende Tipps. Hilfreich ist auch, dass sich das ganze Feld seit dem Auftauchen von Bambu in Richtung einfach drucken bewegt: Tools wie Slicer und CoreXY-Drucker haben die Bedienbarkeit deutlich verbessert.
Das wirkt sich positiv auf den Einstieg, die Modellerstellung und das gesamte Ökosystem aus.
Ich entwerfe viele Teile mit Fusion 360 und drucke seit fast 10 Jahren, habe hier aber trotzdem noch ein paar gute Tipps mitgenommen.
Ein wichtiger Punkt, den ich hier unbedingt ergänzen würde, ist die Filament-Auswahl. Moderne Filamente wie PC-CF, also kohlefaserverstärktes Polycarbonat, sind für echte Druckobjekte und Bauteile unglaublich vielseitig.
Bei einem höherwertigen Consumer-Drucker braucht man zwar einen Druckkopf für etwa 300 °C und eine gehärtete Stahldüse, aber dann lässt es sich relativ einfach drucken. Es gibt viele Filamente jenseits von Standard-PLA, die in vielerlei Hinsicht glänzen, ohne dass die Druckkosten gleich zehnmal so hoch sind.
Auch Slicer werden ziemlich gut, weil viel Arbeit in bessere Druckqualität, Geschwindigkeit und Bauteilfestigkeit fließt.
Schön auch, dass cnckitchen mehrfach erwähnt wurde. Das ist eine hervorragende Ressource, um neue Entwicklungen im 3D-Druck und möglichst unvoreingenommene Reviews ernsthaft zu verfolgen und daraus zu lernen.
Die Qualität der Modelle auf Printables und Thingiverse wird ebenfalls wirklich besser, und es ist ermutigend zu sehen, dass es immer mehr vollständig funktionsfähige Geräte gibt, die man ohne externe Teile einfach herunterladen und drucken kann – also Print-in-Place- und einteilige Druckteile.
Sobald generative KI Objektmodellierung und CAD-Prinzipien versteht, werden meiner Meinung nach auch Modelle für funktionale Bauteile explosionsartig zunehmen, ähnlich wie parametrisierte Modelle populärer werden.
Nach der Nutzung wurde mir klar, dass ich beim Ender ständig nur am Drucker herumgeschraubt und tatsächlich kaum gedruckt hatte.
Bei Bambu waren außer der gewünschten Qualitätsstufe keine manuellen Einstellungen nötig. Einmal ging es um eine sehr lange Bridge: Die Standardeinstellungen waren in Ordnung, aber ich wollte, dass sie stärker anhaftet, also habe ich mit ein paar Tests feinjustiert.
Zum Punkt „Wenn man eine Verbindung mit geringer Wiederverwendung schnell entwerfen will, sollte man in das Druckteil ein Gewinde schneiden“: Ich habe festgestellt, dass Holzschrauben dafür gut passen. Auch ohne Gewindebohrer können Holzschrauben ihr Gewinde selbst formen.
Allerdings setzt das das Teil etwas unter Spannung. Ich drucke hauptsächlich mit PETG, und das ist dafür stark genug, aber PLA kann reißen, wenn das Loch parallel zu den Layern verläuft.
Für die Einschränkung „Gewindeeinsätze sind schwer zuverlässig zu verwenden, wenn man die Schraube von hinten einführt“ gibt es einen Trick, den ich gelegentlich nutze.
Bevor man den Einsatz einsetzt, steckt man zuerst die Schraube von hinten ein, dreht den Einsatz auf die herausragende Schraube und setzt dann Einsatz und Schraube zusammen mit dem Lötkolben in den Kunststoff ein.
Da die Schraube das Loch ausfüllt, kann der geschmolzene Kunststoff das Loch nicht verstopfen. Stattdessen bildet sich der geschmolzene Kunststoff um die Schraube herum und wirkt wie eine Nyloc-Mutter.
Die Reibungswärme muss ausreichen, um den Kunststoff so weit zu schmelzen, dass er sich um die Schraube herum formt. Dann wartet man, bis alles abgekühlt ist, und dreht die Schraube wieder heraus.
Allerdings entwerfe ich selten mit Portabilität als Ziel und ermittle die passende Lochgröße für meinen Drucker eher mit ein paar Testdrucken.
Bei Small Parts oder Amazon kann die Auswahl an Kleinmengen unter 1000 Stück dürftig sein, aber Bambu verkauft seit letztem Jahr kleine Packungen zu vernünftigen Preisen.
Ich weiß, dass Bambu Labs in der HN-Community viel Kritik abbekommt, aber mein Bambu Labs P1S ist wirklich schockierend gut. Er ist so einfach zu benutzen, dass ich damit 100-mal mehr drucke als früher mit dem Ender
Dadurch habe ich auch Fusion 360 gelernt, und genau jetzt drucke ich einen Droiden aus, den die Kinder anmalen können
Leute, die gern am Drucker selbst herumschrauben, mochten ihn und empfahlen ihn. Denn die Ausrüstung zuverlässig zum Laufen zu bringen, wurde zu einer eigenen Fähigkeit innerhalb des 3D-Drucks. Das ist ein anderes Problem als die im Artikel behandelten Designüberlegungen
Von Bambu habe ich gehört, dass es deutlich besser ist. Ich nutze einen Raise3D E2 aus der Ender-Ära, und der ist sehr zuverlässig. Er liegt preislich eine Stufe höher, aber man muss nichts daran machen; als er neu war, lief er einfach, und das tut er heute noch
Von dort hat Bambu einen großen Teil seiner Software geforkt, und seit den jüngsten Updates ist die Nutzung genauso einfach, sehr zuverlässig und die Wartung ebenfalls leicht
Kürzlich kam auch Fertigung in den USA hinzu, und offenbar kann man auch einen in den USA hergestellten Core ONE kaufen. Wenn man Zölle berücksichtigt, könnte er bald sogar günstiger sein als ein vergleichbarer Bambu
Manche werden sich vielleicht beschweren, dass in jedem 3D-Druck-Thread ein Prusa-Fanboy auftaucht, aber es gibt Gründe, warum diese Firma solche Anhänglichkeit erzeugt. Ich habe mit dem MK4(S) Tausende Stunden gedruckt und überhaupt keine Probleme gehabt, und dass sie Upgrade-Kits für den Wechsel auf das jeweils nächste neue Modell anbieten, ist ziemlich großartig
Mein Ender 5 dagegen läuft praktisch immer weiter und war nie länger außer Betrieb als ein oder zwei Tage, während ich auf Ersatzteile von Amazon wartete, die ein paar Cent bis höchstens 20 Dollar kosten
Ich glaube nicht, dass Bambu instabile Drucker baut. Im Gegenteil: Insgesamt sind das hervorragende Maschinen, die deutlich zuverlässiger sind als Creality
Sie sind aber eher wie Sportwagen. Sie richten sich eher an Leute, die etwas Schnelles und Schickes wollen und Probleme mit Geld lösen möchten, oder an technisch versierte Leute, die kein Problem damit haben, ihn mit auf die Rennstrecke zu nehmen und selbst zu warten
Das Problem ist, dass Bambu-Drucker als gut für Anfänger beworben und empfohlen werden. Sie machen es Nichttechnikern tatsächlich leichter, in den 3D-Druck einzusteigen, aber am Ende werden die meisten meiner Meinung nach entweder von den eingeschränkten Anpassungsmöglichkeiten oder von Zeit, Aufwand und Kosten enttäuscht sein, die für Diagnose und Reparatur nötig sind, wenn etwas schiefgeht
Das Problem ist, dass sie ihr Ökosystem inzwischen schließen, und man weiß nicht, wohin das künftig führt
Außerdem ist es sehr unfair, einen aktuellen Drucker mit einem alten Ender zu vergleichen. Man sollte vergleichbare aktuelle Technik miteinander vergleichen
Ich habe vor etwa zehn Jahren mit den ersten Taz-Maschinen mit 3D-Druck angefangen, und diese Erfahrung hat mich völlig ausgelaugt
Vor einem Monat habe ich mir dann einen Prusa Core One gekauft, war so begeistert, dass ich mir sogar noch einen XL mit 5 Toolheads gekauft habe. Es macht wirklich Spaß, einen Drucker zu benutzen, der „einfach funktioniert“
Letzte Woche habe ich einen sechstägigen Druck abgeschlossen: https://www.reddit.com/r/prusa3d/comments/1kb3p0w/xl_full_be...
Erstaunlicher Artikel, ich habe viel gelernt. Als ergänzende Lektüre finde ich J. E. Gordons Structures sehr gut
Es hat mir geholfen, viele der Konzepte des mechanischen Designs zu verstehen, die für solche Arbeiten nötig sind
[0]: https://archive.org/details/StructuresOrWhyThingsDontFallDow...
Früher musste man mit scharfen Kanten deutlich vorsichtiger sein
Wenn man scharfe Kanten druckt, muss das Hotend bis zum Stillstand abbremsen und dann in die neue Richtung beschleunigen. Während dieser Zeit tritt etwas mehr Kunststoff aus der Düse aus
Mit abgerundeten Kanten kann man diesen Übergang glätten
Moderne Drucker haben normalerweise Pressure Advance, deshalb ist das heute deutlich weniger wichtig
Den größten Gewinn bei aktuellen günstigen Druckern sehe ich in Input Shaping und Resonanz-Tuning, weil sie höhere Beschleunigungen und Geschwindigkeiten auch bei mechanisch weniger steifen Geräten ermöglichen
Danach kommt die Einschränkung der Slicer-Auswahl und das Erzwingen von Marken-Filament. Wenn man Auswahlmöglichkeiten entfernt, ist es leichter, reproduzierbare Slicer-Profile zu erstellen. Ich nutze seit fast zehn Jahren Atomic-Filament und dasselbe grundlegende Slicer-Profil
In meiner Werkstatt verwenden wir weiterhin weder Pressure Advance noch Input Shaping. Stattdessen bauen wir Maschinen mit sehr steifen Rahmen
Nach dem, was ich gesehen habe, nimmt der Nutzen von Input Shaping ab, je steifer Rahmen und Antrieb sind. Mein aktueller Drucker ist etwa zehn Jahre alt, aber immer noch solide
Da er mit Leitspindeln angetrieben wird, ist er nicht so schnell wie ein CoreXY, aber die Druckqualität ist gut, und er hat einen Bauraum von 320 mm Kantenlänge. Auch ohne Pressure Advance oder andere magische Funktionen druckt er PLA mit 100 mm/s, fährt Bewegungen mit 150–200 mm/s, und auch der Extruder ist ziemlich schwer