Design for Additive Manufacturing Fünf Tipps für die Konstruktion im 3D-Druck

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Additiv Denken, um ein Bauteil für den 3D-Druck passend zu konstruieren, fällt am Anfang schwer. Doch wer alle seine Einstiegsfragen vergisst und an Knete denkt, ist auf dem richtigen Weg.

Für die konventionelle Konstruktion sind die Konstruktionsrichtlinien bereits bekannt und werden schon Jahren in der technischen Berufsaus- und Weiterbildung sowie im Studium vermittelt. Es gibt Bücher über Konstruktionselemente, das Tabellenbuch und viel Erfahrung aus der Praxis, unter anderem von Kollegen. Bei der additiven Konstruktion also der Gestaltung von 3D-gedruckten Bauteilen ist das noch nicht so. Dort fehlt es an Wissen, Wegen und Handkniffen im CAD.

Wie also anfangen mit additiver Konstruktion? Selbst wer sich fest vornimmt, ein bestehendes Bauteil für 3D-Druck umzugestalten oder – eigentlich besser – ein neues Bauteil für die Maschine gleich von Beginn an additiv zu konstruieren, scheitert meistens schon an den ersten Schritten. Denn es kommen Fragen auf einen zu, wie:

• Wie soll ich das Bauteil jetzt konstruieren?

• Ist das, was ich mache richtig?

• Hält das dann auch mit 3D-Druck?

• Warum muss alles ausgerundet und mit Radien versehen werden?

• Welches 3D-Druck-Verfahren soll ich nutzen und welchen Werkstoff?

• Was ist jetzt mein nächster Klick im CAD, damit das Bauteil so futuristisch ausschaut?

• Wen könnte ich Fragen, der mir dort Antworten und Sicherheit geben kann?

Die nachfolgenden 5 Schritte sind bei jeder 3D-Druck-Anwendung und Technologie am wichtigsten.

1. Gewicht reduzieren und Materialanhäufungen vermeiden

Stellen Sie sich Ihr Bauteil nicht in viereckigen Klötzchen, sondern in Knetmasse vor. Denn es wird nicht wie in der konventionelle Fertigung aus dem vollen Material geschnitzt, sondern geformt wie Knetmasse. Nur dort Material gebraucht wird, wo es der Festigkeit und Steifigkeit dient, wird auch Material platziert. Wo es nicht gebraucht wird, kommt auch kein Material hin. So ist das Sichtbare zwar von Nutzen, doch das Wesentliche bleibt unsichtbar, wie Laotse schon wusste.

2. Schroffe Übergänge vermeiden

Wird zu viel Kraft über eine 90°-Kante geleitet versagt das Bauteil. Da die additive Fertigung völlig unabhängig von Bearbeitungswerkzeugen ist, können alle diese kritischen Stellen mit Übergängen und Rundungen versehen werden. Wie bei einem Baum auf einer Wiese. Kommt Wind von rechts, entsteht besonders am Boden Zugspannung auf der rechten Seite und Druckspannung auf der linken. Wenn der Baum zum flachen Wurzelwerk hin eine scharfe 90°-Kante bzw. -Kerbe hätte, würde er abbrechen.

Additive Fertigung

Konstruktionstipps für den 3D-Metalldruck

3. Charaktereigenschaften von Bauteilen beachten

Die Verwechslung von Steifigkeit und Festigkeit ist auch heute unter Erfahrenen Ingenieuren ein Problem. Materialien werden durch ihre Steifigkeit und Festigkeit beschrieben. Beide Werte bilden den Materialwiderstand gegen Verformung bzw. Bruch. Äußere Belastungen wie Zug, Druck, Biegespannung und Torsion erzeugen im Bauteil Spannungen, die aus dem „Sozialverhalten“ der Atome resultieren. Überschreitet die Spannung ihre jeweilige Festigkeit, z.B. durch Zug, Druck oder Scherung, versagt das Bauteil, indem es bricht.

• Steifigkeit ist der Widerstand gegen eine Verformung.

• Festigkeit ist der Widerstand gegen Versagen.

Leder ist nicht steif, aber sehr zugfest. Ein Zwieback ist steif, aber nicht fest.

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4. individuelle Hinweise zu Geometrien beachten

Für jedes additive Verfahren gibt es Hinweise, worauf Konstrukteure bei freistehenden Wänden, Überhängen und Supportstrukturen, Ausprägungen, Einkerbungen und Stiften sowie horizontalen Brücken, Löcher, Gewinden und Toleranzen achten sollten. Diese Hinweise können in Datenblättern nachgelesen und beim Hersteller wie auch 3D-Druck-Dienstleister erfragt werden. Wichtig ist, dass es keine allgemeingültigen Informationen für jedes Verfahren gibt. Zwischen Druckerherstellern und sogar Maschinentypen, gibt es Unterschiede. Am besten lassen Sie Ihre Anwendung kurz gegenchecken.

5. Mehrwert durch Funktionsintegration

Eine 3D-gedruckte Lösung ist keine Lösung, wenn diese nicht mindestens einen Mehrwert stiftet. Dazu bietet die additive Fertigung einige Möglichkeiten: aus mehreren Bauteilen einer Baugruppe ein einziges Bauteil machen, Bauteile mit einer Beschriftung versehen und eine Vorsorge gegen Verwechslung einbauen, Magnete oder RFID-Chips während des Druckvorgangs einlegen oder durch geschickte Konstruktion auf Gewinde verzichten.

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Neun neue Materialien, die für den 3D-Druck bereit stehen

Der wichtigste Tipp: Nicht gleich vor das offene CAD-Programm am Bildschirm setzen. Nehmen Sie Bleistift und Papier und zeichnen Sie Ihre Idee losgelöst von alten Denkmustern über die Fertigung von Bauteilen. Übrigens: Bei einer 3D-gedruckten Lösung ist es normal, dass Sie nachdenken und probieren müssen anstatt sofort eine Lösung parat zu haben.

* Johannes Lutz ist Geschäftsführer von 3D Industrie aus 88450 Berkheim, www.beratung.3dindustrie.de

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