Im FDM-3D-Druck (Fused Deposition Modeling) kann dasselbe Teil, mit demselben Material und auf derselben Maschine realisiert, je nach seiner Ausrichtung im Druckvolumen widerstandsfähig oder spröde, glatt oder rau, wirtschaftlich oder kostspielig sein. Die Ausrichtung ist daher kein einfacher Prozessparameter, sondern eine Konstruktionsentscheidung, die sich auf die mechanische Festigkeit, auf die Qualität der Oberflächen, auf die Menge der erforderlichen Stützstrukturen und folglich auf die Produktionszeiten und -kosten auswirkt.
Dieser Leitfaden zeigt, wie sich die Druckausrichtung auf vier grundlegende Aspekte auswirkt: Festigkeit, Finish, Stützstrukturen und Kosten, und wie man die am besten geeignete Lösung für jedes Teil identifiziert.
Die FDM legt das geschmolzene Filament Schicht für Schicht ab. Jede Schicht haftet an der vorherigen durch die partielle Fusion des Polymers in der Kontaktzone. Diese Verbindung zwischen den Schichten (Interlayer-Haftung) ist schwächer als die Kontinuität des Materials innerhalb derselben Schicht.
Daraus leitet sich ein anisotropes Verhalten ab:
In der Praxis widersteht ein FDM-Teil, das entlang der Schichten auf Zug beansprucht wird, besser, während dieselbe Komponente, senkrecht zu den Schichten beansprucht, bei viel niedrigeren Lasten brechen kann, indem sie sich entlang der Ablageebenen trennt.
Daraus leitet sich die grundlegende Regel für die Wahl der Ausrichtung ab: die kritische Last sollte nicht senkrecht zu den Schichten wirken.
Die grundlegende Regel der FDM-Ausrichtung betrifft die Festigkeit: das Teil ist so auszurichten, dass die Hauptbeanspruchungen in der Ebene der Schichten (XY) wirken, nicht durch sie hindurch (Z).
Bevor man die Ausrichtung wählt, muss man verstehen, wie das Teil während der Nutzung beansprucht wird:
Das Ausmaß der Anisotropie variiert in Abhängigkeit vom Material:
In jedem Fall eliminiert kein FDM-Material die Anisotropie vollständig: die Hauptlasten in der XY-Ebene auszurichten bleibt eine grundlegende Regel.
Die Ausrichtung bestimmt, welche Oberflächen des Teils glatter und welche rauer ausfallen werden.
Wenn eine Oberfläche aus ästhetischen, Paarungs- oder Dichtungsgründen ein gutes Finish haben muss:
Es gibt oft einen Kompromiss zwischen Finish und Festigkeit. Wenn die beiden Anforderungen in Konflikt geraten, wird im Allgemeinen die mechanische Leistung bevorzugt und die Oberfläche mit dem Post-Process verbessert.
Die Stützstrukturen sind temporäre Strukturen, die die Teile des Stücks tragen, die andernfalls im Leeren gedruckt würden. Bei der FDM muss das Filament nämlich auf bereits vorhandenem Material abgelegt werden, und die Überhänge jenseits einer bestimmten Neigung erfordern eine Stützstruktur.
Bei der FDM können die bis etwa 45° von der Vertikalen geneigten Oberflächen im Allgemeinen ohne Stützstrukturen gedruckt werden, weil jede Schicht ausreichend von der vorherigen gestützt wird. Jenseits dieser Schwelle wird der Überhang kritischer und kann Stützstrukturen erfordern.
Die Ausrichtung bestimmt daher die Menge der notwendigen Stützstrukturen:
Die Stützstrukturen wirken sich direkt auf die Produktionszeiten und -kosten aus:
Die Hauptstrategien sind:
Die Kosten eines FDM-Teils hängen vor allem von der Druckzeit und vom verbrauchten Material ab, einschließlich der Stützstrukturen. Beide werden von der Ausrichtung beeinflusst.
Die Druckzeit hängt signifikant von der Anzahl der Schichten ab, die ihrerseits mit der Höhe des Teils entlang der Z-Achse variiert. Bei gleichem Volumen erfordert eine niedrig und breit gedruckte Komponente weniger Schichten als dasselbe hoch und schmal ausgerichtete Teil und kann daher rascher produziert werden.
Faustregel: richten Sie das Teil aus, um die Z-Höhe zu minimieren, kompatibel mit den Festigkeits- und Finish-Anforderungen. Weniger Schichten = weniger Zeit = weniger Kosten.
Volumen der Stützstrukturen
Die Stützstrukturen erfordern zusätzliches Material und erhöhen die Druck- und Post-Process-Zeit. Eine Ausrichtung, die ihre Menge reduziert, trägt daher dazu bei, die Gesamtkosten zu begrenzen.
Festigkeit, Finish und Kosten führen nicht immer zur selben Wahl:
Es existiert keine universelle „perfekte” Ausrichtung: es existiert die optimale Ausrichtung für die Prioritäten dieses spezifischen Teils. Die typische Hierarchie für eine funktionale Komponente ist: Festigkeit in der kritischen Richtung → Finish auf den funktionalen Oberflächen → Minimierung von Stützstrukturen und Kosten.
Eine praktische Methode besteht darin, die Ausrichtung nach einer präzisen Prioritätsreihenfolge zu bewerten:
Im Konfliktfall haben die vorhergehenden Kriterien Priorität: die funktionale Festigkeit kommt vor dem Finish, das seinerseits vor den Kosten kommt. Die Kosten zu reduzieren hat keinen Wert, wenn es die Funktionalität des Teils beeinträchtigt.
Die FDM ist stark anisotrop, daher stellt die Ausrichtung eine kritische Konstruktionsentscheidung dar. Die Festigkeit entlang Z kann nämlich erheblich niedriger sein als jene in der XY-Ebene.
Die MJF (Multi Jet Fusion) hingegen weist ein isotroperes Verhalten auf, weil die Fusion des Pulvers nicht von der gerichteten Ablage eines Filaments abhängt. Die mechanischen Eigenschaften ergeben sich daher gleichmäßiger in den verschiedenen Richtungen und die Ausrichtung wirkt sich weniger auf die Festigkeit aus. Bei der MJF nimmt sie größere Bedeutung für Toleranzen, Finish und Packing an, das heißt, um die Anordnung der Teile im Druckvolumen zu optimieren. Sie können das Thema in unserem Leitfaden wie man ein Objekt für den Multi-Jet-Fusion-3D-Druck ausrichtet vertiefen.
Praktische Implikation: wenn eine Komponente komplexen und multidirektionalen Lasten ausgesetzt ist oder nicht ausgerichtet werden kann, während die kritischen Beanspruchungen in der XY-Ebene gehalten werden, kann die MJF dank der geringeren Anisotropie eine besser geeignete Lösung darstellen. Die FDM bleibt hingegen besonders angezeigt, wenn Superpolymere benötigt werden.
Die Druckausrichtung ist eine der wichtigsten Konstruktionsentscheidungen bei der FDM, weil sie sich direkt auf vier grundlegende Aspekte auswirkt: mechanische Festigkeit, Oberflächengüte, Stützstrukturen und Kosten. Das Leitprinzip bleibt einfach: die kritische Last sollte nicht senkrecht zu den Schichten wirken. Aus diesem Kriterium leiten sich die anderen Prioritäten und die Wahl der für die einzelne Komponente am besten geeigneten Ausrichtung ab.
Die Anisotropie der FDM zu verstehen hilft auch zu verstehen, wann es vorteilhafter ist, die Technologie zu wechseln. Wenn ein Teil multidirektionalen Lasten ausgesetzt ist, die nicht in der XY-Ebene gehalten werden können, kann die MJF dank der größeren Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften eine besser geeignete Lösung darstellen. Ein Teil korrekt ausrichten zu können bedeutet daher nicht nur, den FDM-Druck zu optimieren, sondern auch den für die Anwendung am besten geeigneten Prozess zu wählen.
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