Konstruieren für den 3D-Druck: Wände, Toleranzen, Passungen

„Für den 3D-Druck" konstruiert man eigentlich nie, sondern immer für ein bestimmtes Verfahren. Die beiden im Haus verlangen fast gegenteilige Rücksichten. FDM baut aus geschmolzenen Bahnen: Es trägt Last, verzeiht wenig Feinheit und hat eine Vorzugsrichtung. Resin härtet flüssiges Harz mit Licht: Es liefert Details, die man kaum noch sieht, und bricht dafür schneller.

Wer diese eine Entscheidung vorne trifft, bekommt fast alle weiteren Zahlen geschenkt. Bleibt die Entscheidung offen, entsteht meist ein Teil, das auf keinem der beiden Verfahren seine Stärken ausspielt.

Zuerst die Verfahrensfrage

Die Faustregel dahinter ist kurz: Muss es halten, dann FDM. Muss man es ansehen, dann Resin. Alles Weitere sind Abstufungen.

Ein Gehäuse, ein Halter, eine Vorrichtung, ein Ersatzteil: FDM. Ein Modell mit feiner Struktur, ein Schmuckstück, ein Urmodell für einen Abguss, ein Gehäusedeckel mit sauberer Schrift: Resin.

Die Regeln, die für beide gelten

Sechs Dinge gelten unabhängig vom Verfahren. Sie kosten in der Konstruktion nichts und sparen später eine Runde.

Innenecken werden verrundet, Aussenkanten gefast

Eine scharfe Innenecke ist eine Kerbe, und an Kerben beginnen Risse. Ein Radius von einem Millimeter genügt meist schon, um die Spannungsspitze deutlich zu senken. Das gilt für jedes Verfahren und für jeden Werkstoff.

Aussen ist es umgekehrt: Eine Fase druckt sich besser als eine Verrundung, besonders an der untersten Kante.

Nur so genau wie nötig

Die Fertigung hält ± 0.2 Millimeter auf 100 Millimeter Kantenlänge. Enger zu tolerieren macht das Teil nicht genauer, sondern die Nacharbeit länger. Massangaben mit drei Nachkommastellen erzeugen an dieser Stelle Erwartungen, die kein Schmelzschichtverfahren einlöst.

Sinnvoll ist deshalb, eine Passung als kritisch zu kennzeichnen und den Rest grosszügig zu halten. Je klarer die wirklich kritischen Masse benannt sind, desto besser lässt sich das Teil wirtschaftlich fertigen.

Entformungsschrägen können Sie weglassen

Aus dem Spritzguss sind Entformungsschrägen vertraut, und sie wandern gern aus Gewohnheit mit. Gedruckt wird nichts entformt, die Schrägen kosten hier also nur Bauhöhe und Genauigkeit.

Material dort, wo die Last angreift

Zwei zusätzliche Aussenwände tragen mehr als zwanzig Prozent mehr Füllung, und sie kosten weniger Zeit. Bei Biegung trägt ohnehin die Randzone. Wer ein Teil fester haben will, verstärkt die Hülle, nicht den Kern.

Kein eingeschlossenes Volumen

Ein vollständig geschlossener Hohlraum ist bei FDM Materialverschwendung und bei Resin ein Fehler, der das Teil zerstört. Wenn ein Hohlraum sein muss, braucht er eine Öffnung.

Prüfen lässt sich nur, was man messen kann

Ein Referenzmass am Bauteil, etwa eine Aussenkante mit rundem Wert, macht jede Abweichung sofort sichtbar. Ohne eine solche Marke prüft man Passungen durch Ausprobieren.

Konstruieren für FDM

FDM legt Bahnen mit einer Düse ab, üblicherweise 0.4 Millimeter breit. Fast jede Regel in diesem Abschnitt folgt aus dieser einen Zahl.

Wandstärken sind Vielfache der Bahnbreite

Eine Wand von 1.0 Millimeter ergibt bei 0.4er Düse zwei Bahnen und einen Restspalt, den die Software irgendwie füllt. Eine Wand von 1.2 Millimeter ergibt genau drei Bahnen: dichter, fester, schneller.

Sinnvolle Wandstärken sind deshalb 0.8, 1.2, 1.6 und 2.0 Millimeter. Unter 0.8 Millimeter wird eine Wand unzuverlässig, unter der Bahnbreite verschwindet sie ganz.

Überhänge bis 45 Grad, darüber Stützmaterial

Jede Schicht braucht Auflage. Bis etwa 45 Grad Neigung findet sie diese auf der Schicht darunter, darüber hängt sie in der Luft und braucht eine Hilfskonstruktion, die anschliessend wieder entfernt wird.

Stützmaterial kostet doppelt: einmal Druckzeit, einmal Handarbeit. Und es hinterlässt Spuren auf der Fläche, die es getragen hat.

Der Ausweg ist fast immer eine Fase. Eine waagerechte Auskragung braucht Stützen, dieselbe Kante als 45-Grad-Fase nicht. Bei Bohrungen, die waagerecht liegen, wirkt dasselbe Mittel: Aus dem Kreis wird oben eine Spitze, aus der Bohrung eine Tropfenform, und die Stütze entfällt.

Ausrichtung entscheidet über die Festigkeit

Innerhalb einer Schicht sind die Bahnen verschmolzen, zwischen zwei Schichten liegt eine Klebefuge. Quer zur Schicht trägt ein Teil deutlich weniger als längs.

Deshalb gehört an den Anfang jeder Auslegung die Frage, wo die Kraft angreift. Ein Haken, stehend gedruckt, bricht an der Biegestelle. Derselbe Haken flach gedruckt hält ein Vielfaches.

Für die Konstruktion heisst das: Bauteile so gestalten, dass eine sinnvolle Lage auf der Platte überhaupt möglich ist. Funktionsflächen in drei Richtungen führen zu einem Kompromiss, den man besser früh mitdenkt.

Bohrungen kommen zu klein heraus

Eine gedruckte Bohrung fällt kleiner aus als konstruiert. Der Grund liegt in der Innenkontur: Die Düse fährt eine Kurve, das Material zieht nach innen.

Wer eine Passung braucht, konstruiert die Bohrung deshalb grösser als das Nennmass oder reibt sie nach. Für Durchgangsbohrungen einer Schraube genügt Grosszügigkeit, für Lagersitze nicht.

Die erste Schicht wird breiter

Das Bauteil wird gegen die Platte gedrückt, damit es haftet. Die unterste Schicht quillt dabei seitlich aus, um einige Zehntelmillimeter. Der sogenannte Elefantenfuss stört überall dort, wo das Teil unten anliegen oder einstecken soll.

Eine kleine Fase an der Unterkante nimmt das vorweg.

Gewinde besser einsetzen als drucken

Ein direkt gedrucktes Gewinde funktioniert ab etwa M8 und in Werkstoffen, die nicht spröde sind. Darunter ist die Flanke feiner als das Verfahren.

Zuverlässiger sind drei andere Wege: ein Gewindeeinsatz aus Messing, der mit dem Lötkolben eingeschmolzen wird, eine Blechschraube in einen vollen Zapfen, oder eine gefangene Mutter in einer Tasche im Bauteil. Der Einsatz ist die haltbarste Lösung und der einzige Weg, der wiederholtes Öffnen verträgt.

Grosse Flächen ziehen sich

Je grösser die Grundfläche und je wärmer der Werkstoff verarbeitet wird, desto eher hebt sich eine Ecke von der Platte. ASA und ABS neigen deutlich dazu, PLA kaum.

Konstruktiv hilft: Ecken verrunden statt scharf auslaufen lassen, grosse geschlossene Bodenflächen unterbrechen, und die Bauteilhöhe dort niedrig halten, wo sie nichts leistet.

Konstruieren für Resin

Resin kennt keine Bahnbreite. Eine ganze Schicht härtet auf einmal aus, und wie fein sie wird, bestimmt die Bildpunktgrösse des Bildschirms. Die liegt hier bei etwa 17 auf 25 Mikrometer. Das ist eine andere Grössenordnung als bei FDM, und es verschiebt jede Regel.

Dünn geht, aber nicht überall

Eine Wand von 0.5 Millimeter ist druckbar. Ob sie hält, ist eine andere Frage: Standardharz ist spröde, und dünne Flächen verziehen sich beim Nachhärten.

Für Sichtteile genügt ein Millimeter, für alles, was Kraft aufnimmt, sind zwei bis drei sinnvoll.

Ausgehöhlt, mit Ablauflöchern

Ein massives Resin-Bauteil ist teuer und schrumpft ungleichmässig. Deshalb wird ab einer gewissen Grösse ausgehöhlt, mit zwei bis drei Millimeter Wandstärke.

Ein ausgehöhltes Teil ohne Ablauflöcher ist allerdings eine Falle. Beim Anheben der Platte entsteht im Hohlraum ein Unterdruck, der das Bauteil regelrecht festsaugt. Im besten Fall reisst es von den Stützen, im schlechteren von der Platte.

Zwei Öffnungen von mindestens drei Millimetern, an der tiefsten und der höchsten Stelle der Einbaulage, lösen das. Sie lassen ausserdem das Harz ablaufen, das sonst im Teil bleibt und dort ungehärtet weiterlebt.

Flach auf der Platte lohnt sich selten

Ein flach liegendes Teil hat in jeder Schicht dieselbe grosse Fläche, und die muss bei jedem Schichtwechsel von der Folie abgelöst werden. Die Kraft dafür ist erheblich.

Geneigt gedruckt, etwa zwischen 20 und 45 Grad, ist die Fläche je Schicht kleiner, die Ablösekraft geringer und das Ergebnis massgenauer. Für die Konstruktion heisst das vor allem: Es gibt keine Fläche, die garantiert ohne Stützspuren bleibt. Wer eine perfekte Sichtseite braucht, sagt es vorher, damit die Stützen auf die Rückseite wandern.

Ausgehärtet wird nachher, und dabei schrumpft es

Ein Teil verlässt den Drucker nicht fertig. Es wird gewaschen und anschliessend mit Licht nachgehärtet. Beides verändert das Mass geringfügig, und bei dünnen, flachen Geometrien kann das Nachhärten sichtbaren Verzug erzeugen.

Wer enge Passungen braucht, sollte das beim Entwurf berücksichtigen oder die kritische Fläche nachbearbeiten.

Spröde bleibt spröde

Standardharz bricht, wo PETG sich verbiegen würde. Schnapphaken, Filmscharniere und alles, was federn soll, gehören nicht in Standardharz. Es gibt zähere Harzsorten, die verschieben die Grenze, aber sie heben sie nicht auf.

Passungen: die Zahlen, die am häufigsten fehlen

Zwei Teile, die exakt gleich gross konstruiert sind, passen nicht ineinander. Gebraucht wird Spiel, und wie viel, hängt am Verfahren.

Die folgenden Werte sind Gesamtspiel über den Durchmesser, also die Differenz zwischen Bohrung und Zapfen.

Drei Hinweise dazu, die in der Praxis besonders oft weiterhelfen.

Waagerecht und senkrecht sind nicht gleich. Eine senkrecht gedruckte Bohrung hält ihr Mass besser als eine waagerechte, die zusätzlich unter dem Überhang leidet. Wo es genau werden muss, gehört die Bohrachse senkrecht.

Grösse verschiebt die Werte. Die Angaben oben passen für Durchmesser bis etwa 30 Millimeter. Darüber wächst die Abweichung mit dem Mass, und die Zahlen gehören eher an das obere Ende.

Ein Prüfteil kostet weniger als eine Serie. Bei einer kritischen Passung lohnt sich ein kleiner Ausschnitt des Bauteils, gedruckt und gemessen, bevor das ganze Teil läuft. Genau dafür ist der Formprototyp da.

Schrift, Gravur und Beschriftung

Schrift auf einem gedruckten Teil scheitert fast immer an derselben Stelle: Sie ist zu fein für das Verfahren.

• Erhaben statt vertieft. Erhabene Schrift entsteht aus Bahnen, die nebeneinanderliegen. Vertiefte Schrift entsteht aus dem Zwischenraum, und der fällt schnell unter die Bahnbreite.
• Strichstärke bei FDM ab 0.8 Millimeter, Höhe ab etwa 0.4 Millimeter über der Fläche. Darunter verschwindet der Zug.
• Bei Resin genügt ein Bruchteil davon. Hier ist Schrift auch dann noch lesbar, wenn sie am gedruckten Teil mit blossem Auge kaum zu erkennen ist.
• Auf der Oberseite, nicht an der Wand. Schrift an einer senkrechten Fläche trägt die Schichtstruktur mit und wird unruhig.

Wenn Beschriftung wirklich sauber sein muss, ist die Lasergravur der bessere Weg. Sie funktioniert auch dort, wo gar nicht gedruckt wird, und sie hält länger als jeder Aufkleber. Was dabei möglich ist, steht auf Technologie.

Baugruppen und Verbindungen

Die meisten Bauteile sind Teil von etwas. Vier Verbindungsarten decken fast alles ab.

Schnappverbindungen sind der Sonderfall. Sie funktionieren gut in PETG und faserverstärktem Polyamid, mässig in PLA und gar nicht in Standardharz. Wenn eine Rastnase sein muss, gehört sie so ausgerichtet, dass sie längs der Schichten belastet wird, nicht quer dazu.

Wenn das Teil nicht in den Bauraum passt

Teilen ist keine Notlösung, sondern oft die bessere Konstruktion. Zwei Hälften drucken schneller als ein hohes Einzelteil, brauchen weniger Stützen und lassen sich in der jeweils günstigsten Lage ausrichten.

Wichtig ist nur, dass die Trennstelle mitkonstruiert wird: eine Stufe, zwei Passstifte oder eine Nut sorgen dafür, dass beim Kleben nichts verrutscht. Eine glatte Trennfläche ohne Führung ist der Grund, warum geteilte Teile schief werden.

Die häufigsten Fehler

Sechs Dinge, die in der Praxis am meisten Zeit kosten.

• Alles gleich eng toleriert. Eine kritische Passung ist machbar, einundzwanzig sind es nicht.
• Waagerechte Bohrungen ohne Tropfenform. Sie brauchen Stützen im Loch, und die bekommt man dort schlecht wieder heraus.
• Schrift zu fein. Unter 0.8 Millimeter Strichstärke ist sie bei FDM meist nicht mehr sauber darstellbar.
• Ausgehöhltes Resin-Teil ohne Ablauflöcher. Der teuerste Fehler in diesem Beitrag.
• Falsche Einheit. Wird in Zoll statt Millimeter exportiert, kommt das Teil um den Faktor 25.4 skaliert an. Ein Referenzmass in der Anfrage deckt das sofort auf.
• Kraftrichtung nicht bedacht. Ein Teil, das quer zur Schicht belastet wird, bricht früher, als jede Werkstofftabelle vermuten lässt.

Bevor Sie die Datei abschicken

Diese sieben Angaben beantworten fast jede Rückfrage im Voraus. Der Rest ergibt sich aus der Datei.

Wandstärken, Toleranzen und Schichtrichtung gehören ab der Halbtagesschulung zum Programm der Firmenschulung. Der Unterschied zu diesem Beitrag ist, dass dort Ihre eigenen Bauteile auf dem Tisch liegen.

Und wenn Sie gar nicht konstruieren

Dann müssen Sie es auch nicht. Eine bemasste Skizze, ein Foto mit Massstab oder das vorhandene Teil genügen als Grundlage, und die Konstruktion übernehme ich. Die Datei bekommen Sie anschliessend ausgehändigt.

Die Kennwerte der Werkstoffe stehen auf Materialien, die Maschinen mit ihren Bauräumen auf Technologie. Wie aus einer Datei ein brauchbarer Export wird, steht in STL-Dateien erstellen. Und wenn Sie unsicher sind, welches Verfahren zu Ihrem Bauteil passt: Beschreiben Sie kurz, wo das Teil sitzt und was darauf wirkt, über das Anfrageformular.