Konstruieren für AMDesign for additive manufacturing

Ein Bauteil, das gefräst oder gespritzt gut funktioniert, ist selten ein gutes Druckteil. Additive Fertigung baut in Schichten auf — daraus folgen andere Regeln für Wandstärken, Überhänge, Passungen und Belastungsrichtungen. Dieser Text fasst zusammen, worauf es beim Konstruieren für FDM und SLA ankommt.

A part that works well when milled or moulded is rarely a good printed part. Additive manufacturing builds up in layers, and that leads to different rules for wall thickness, overhangs, fits and load directions. This text summarises what matters when designing for FDM and SLA.

Der Prozess bestimmt die GeometrieThe process determines the geometry

Beim Drucken entsteht ein Bauteil aus vielen dünnen Lagen, die nacheinander verbunden werden. Daraus ergeben sich drei Konsequenzen, die praktisch jede Konstruktionsentscheidung berühren: Material kann nicht frei in der Luft beginnen, die Verbindung zwischen zwei Lagen ist schwächer als das Material innerhalb einer Lage, und jede geneigte Fläche wird durch Stufen angenähert.

Wer diese drei Punkte beim Zeichnen mitdenkt, spart später Stützmaterial, Nacharbeit und Ausschuss. Fast alle folgenden Regeln sind Ableitungen davon.

In printing, a part is built from many thin layers bonded one after another. Three consequences follow that touch nearly every design decision: material cannot start freely in mid-air, the bond between two layers is weaker than the material within a layer, and every inclined surface is approximated by steps.

Keeping these three points in mind while drawing saves support material, rework and scrap later. Almost all the rules below are derived from them.

Wandstärken und kleinste DetailsWall thickness and smallest details

Bei FDM ist die sinnvolle Wandstärke immer ein Vielfaches der Extrusionsbreite. Eine Wand von 1,2 mm bei 0,4 mm Düse ergibt drei saubere Bahnen; 1,1 mm zwingt den Slicer zu einer schmalen Füllbahn oder lässt eine Lücke. Wände unter etwa 0,8 mm sind zwar druckbar, aber mechanisch kaum belastbar.

Bei SLA gelten kleinere Werte, dafür kommt ein anderes Problem dazu: Dünne, großflächige Wände verziehen sich beim Aushärten und beim Ablösen von der Bauplattform. Versteifende Rippen sind hier wirksamer als eine pauschal dickere Wand.

With FDM, a sensible wall thickness is always a multiple of the extrusion width. A 1.2 mm wall with a 0.4 mm nozzle gives three clean passes; 1.1 mm forces the slicer into a narrow infill pass or leaves a gap. Walls below roughly 0.8 mm are printable but carry almost no load.

SLA allows smaller values, but adds a different problem: thin, large-area walls warp during curing and when being detached from the build plate. Stiffening ribs are more effective here than a uniformly thicker wall.

Überhänge, Brücken, FasenOverhangs, bridges, chamfers

Die bekannte 45-Grad-Regel ist eine Faustregel, kein Naturgesetz: Bis etwa 45 Grad Neigung zur Senkrechten liegt jede Lage noch weit genug auf der darunterliegenden auf. Flacher als das braucht es Stützen — mit den bekannten Folgen: raue Unterseiten, Nacharbeit, Materialverbrauch.

Zwei Eingriffe helfen fast immer. Erstens: waagrechte Überhänge durch eine 45-Grad-Fase ersetzen, statt sie zu verrunden. Eine Verrundung beginnt unten immer mit einem waagrechten Ansatz. Zweitens: horizontale Bohrungen als Tropfenform oder als Sechseck ausführen, dann entfällt die Stütze im Loch.

The familiar 45-degree rule is a rule of thumb, not a law of nature: up to roughly 45 degrees from vertical, each layer still rests sufficiently on the one below. Shallower than that needs supports, with the usual consequences: rough undersides, rework, material use.

Two interventions almost always help. First, replace horizontal overhangs with a 45-degree chamfer rather than a fillet — a fillet always starts with a horizontal section at the bottom. Second, make horizontal holes teardrop-shaped or hexagonal, and the support inside the hole becomes unnecessary.

Freitragende Brücken zwischen zwei Auflagepunkten gelingen bei FDM bis etwa 30 bis 50 mm, abhängig von Material und Kühlung. Darüber sackt der erste Strang durch. Wo eine lange Brücke unvermeidbar ist, ist eine Trennung des Bauteils meist die bessere Lösung.

Unsupported bridges between two anchor points work in FDM up to roughly 30 to 50 mm, depending on material and cooling. Beyond that the first strand sags. Where a long bridge is unavoidable, splitting the part is usually the better answer.

Orientierung und AnisotropieOrientation and anisotropy

Gedruckte Teile sind richtungsabhängig belastbar. Innerhalb einer Lage trägt das Material deutlich mehr als quer dazu, weil dort die Haftung zwischen den Lagen die Grenze setzt. Ein Haken, der in Aufbaurichtung gedruckt wird, bricht genau an der Lagengrenze — derselbe Haken liegend gedruckt hält ein Vielfaches.

Praktisch heißt das: Die Hauptlast soll in der Ebene der Schichten liegen, nicht senkrecht dazu. Wenn die Konstruktion das nicht zulässt, muss die Geometrie es ausgleichen — größerer Querschnitt an der kritischen Stelle, Verrundung statt scharfer Innenecke, oder eine Teilung mit anschließender Verschraubung.

Printed parts carry load direction-dependently. Within a layer the material takes considerably more than across it, because there the bond between layers sets the limit. A hook printed along the build direction breaks exactly at the layer boundary; the same hook printed lying down holds many times more.

In practice: the main load should lie in the plane of the layers, not perpendicular to it. If the design does not allow that, the geometry has to compensate — a larger cross-section at the critical point, a fillet instead of a sharp internal corner, or a split with a screwed joint.

Bohrungen, Passungen, ToleranzenHoles, fits, tolerances

Vertikale Bohrungen fallen im Druck systematisch zu klein aus. Der Grund ist geometrisch: Der Extrusionsstrang folgt einer Kreisbahn und drückt dabei Material nach innen. Eine Bohrung mit 5 mm Nennmaß misst gedruckt oft 4,7 bis 4,9 mm. Wer eine Passung braucht, konstruiert entweder mit Aufmaß oder plant das Aufbohren ein.

Für Spiel zwischen zwei Teilen gilt: Bei FDM sind 0,2 bis 0,3 mm ein guter Startwert für ein leichtgängiges Spiel, 0,1 bis 0,15 mm für eine feste Steckverbindung. Bei SLA liegen die Werte etwa bei der Hälfte. Verbindlich wird das erst durch einen Testdruck mit dem tatsächlich verwendeten Material.

Vertical holes systematically come out undersized. The reason is geometric: the extruded strand follows a circular path and pushes material inwards. A hole with a 5 mm nominal size often measures 4.7 to 4.9 mm when printed. If you need a fit, either design in an allowance or plan on reaming.

For clearance between two parts: with FDM, 0.2 to 0.3 mm is a good starting value for a sliding fit, 0.1 to 0.15 mm for a firm push fit. With SLA the values are roughly half. This only becomes binding through a test print in the material actually used.

ElefantenfußElephant foot

Die erste Lage wird auf die Bauplattform gedrückt und quillt seitlich aus. Das Bauteil ist unten also einige Zehntel größer als konstruiert. Bei Passflächen, die auf der Plattform liegen, hilft eine kleine umlaufende Fase von etwa 0,4 mm.

The first layer is pressed onto the build plate and squeezes out sideways, so the part is a few tenths larger at the bottom than designed. For mating surfaces sitting on the plate, a small perimeter chamfer of around 0.4 mm helps.

Gewinde und VerbindungselementeThreads and fasteners

Gedruckte Gewinde funktionieren, aber erst ab etwa M8 bis M10 und nur bei geringer Belastung. Feine Gewinde lösen sich in der Stufenauflösung des Prozesses auf. Für alles, was mehrfach gelöst und wieder angezogen wird, sind drei Wege robuster:

• Gewindeeinsätze zum Einschmelzen. Die zuverlässigste Lösung bei FDM. Das Loch wird leicht kegelig konstruiert, der Einsatz mit dem Lötkolben eingezogen.
• Muttern-Taschen. Eine Sechskanttasche im Bauteil, die Mutter wird beim Druck eingelegt oder seitlich eingeschoben. Kostet nichts, braucht aber Zugang.
• Durchgangsloch mit Schraube und Mutter. Unspektakulär und in fast allen Fällen die tragfähigste Variante.

Printed threads work, but only from around M8 to M10 and only under light load. Fine threads dissolve into the step resolution of the process. For anything that is loosened and retightened repeatedly, three routes are more robust:

• Heat-set threaded inserts. The most reliable option with FDM. The hole is designed slightly tapered and the insert drawn in with a soldering iron.
• Nut pockets. A hexagonal pocket in the part, with the nut inserted during printing or slid in from the side. Costs nothing but needs access.
• Through hole with bolt and nut. Unglamorous, and in almost all cases the strongest variant.

Selbstschneidende Schrauben halten in gedrucktem Kunststoff, verlieren aber bei jedem Lösen an Griff. Für Serviceteile ist das keine gute Wahl.

Self-tapping screws hold in printed plastic but lose grip each time they are removed. For serviceable parts they are not a good choice.

Teilen statt stützenSplit instead of support

Viele Probleme verschwinden, wenn ein Bauteil an der richtigen Ebene getrennt und danach gefügt wird. Vorteile: keine Stützen auf Sichtflächen, bessere Ausrichtung jedes Teils zur Belastung, kleinere Bauhöhe, kürzere Druckzeit — und bei Ausschuss muss nur ein Teil neu gedruckt werden.

Für die Fügestelle bewähren sich Passstifte oder eine Nut-Feder-Geometrie mit definiertem Spiel, dazu eine plane, ausreichend große Klebefläche. Reine Stumpfstöße ohne Zentrierung sind schwer auszurichten.

Many problems disappear when a part is split along the right plane and joined afterwards. Advantages: no supports on visible surfaces, better orientation of each piece relative to the load, lower build height, shorter print time — and if something fails, only one piece has to be reprinted.

For the joint, dowel pins or a tongue-and-groove geometry with defined clearance work well, together with a flat, sufficiently large bonding surface. Plain butt joints without centring are hard to align.

Das gilt auch für Bauteile, die größer als der Bauraum sind: Eine geplante Teilung mit sauberer Fügestelle liefert ein besseres Ergebnis als der Versuch, das Maximum aus einer Maschine zu holen.

This also applies to parts larger than the build volume: a planned split with a clean joint gives a better result than trying to squeeze the maximum out of one machine.

Besonderheiten FDMFDM specifics

• Große flache Flächen auf der Bauplattform neigen zum Verzug, besonders bei schwindungsfreudigen Materialien. Abgerundete Ecken im Grundriss und eine geteilte Bodenfläche helfen.
• Scharfe Innenecken sind Kerben und damit Rissausgangspunkte. Eine Verrundung von 1 bis 2 mm kostet nichts und verändert das Bruchverhalten deutlich.
• Wandstärke schlägt Füllgrad. Für Steifigkeit bringen zwei zusätzliche Außenwände mehr als 20 Prozent mehr Infill, bei geringerem Materialeinsatz.
• Rippen statt Vollmaterial. Massive Querschnitte über etwa 8 mm bringen kaum zusätzliche Festigkeit, verlängern aber Druckzeit und Verzugsneigung.

• Large flat areas on the build plate tend to warp, particularly with materials prone to shrinkage. Rounded corners in plan view and a divided base surface help.
• Sharp internal corners are notches and therefore crack initiation points. A 1 to 2 mm fillet costs nothing and noticeably changes fracture behaviour.
• Wall thickness beats infill. For stiffness, two extra perimeters do more than 20 percent additional infill, using less material.
• Ribs instead of solid material. Solid sections beyond about 8 mm add little strength but increase print time and warping tendency.

Besonderheiten SLASLA specifics

• Hohlräume brauchen Ablauflöcher. Geschlossene Hohlkörper füllen sich mit Harz. Mindestens zwei Öffnungen, damit Harz abfließen und Luft nachströmen kann.
• Saugflächen vermeiden. Große, waagrecht liegende ebene Flächen erzeugen beim Ablösen enorme Kräfte. Schräg stellen löst das Problem meist vollständig.
• Nachhärtung einplanen. Frisch gedruckte Teile sind weich und maßlich noch nicht endgültig. Passungen werden nach dem Aushärten geprüft, nicht davor.
• UV-Alterung. Standardharze werden unter dauerhafter Sonneneinstrahlung spröde. Für Außenanwendungen ist FDM mit ASA in der Regel die passendere Wahl.

• Cavities need drain holes. Closed hollow bodies fill with resin. Provide at least two openings so resin can drain and air can follow.
• Avoid suction surfaces. Large flat areas lying horizontally generate enormous forces during peeling. Tilting the part usually solves this completely.
• Plan for post-curing. Freshly printed parts are soft and not yet dimensionally final. Check fits after curing, not before.
• UV ageing. Standard resins become brittle under prolonged sunlight. For outdoor use, FDM in ASA is usually the more suitable choice.

Daten richtig übergebenHanding over data correctly

Am hilfreichsten ist STEP, weil die Geometrie exakt bleibt und bei Bedarf noch angepasst werden kann. STL ist eine Dreiecksnäherung: Beim Export sollte die Sehnenhöhe fein genug gewählt werden, sonst werden runde Flächen sichtbar kantig. Für mehrfarbige Teile ist 3MF das passende Format, weil Farbzuordnung und Baugruppe erhalten bleiben.

STEP is the most useful, because the geometry stays exact and can still be adjusted if needed. STL is a triangle approximation: on export, choose a fine enough chord height, otherwise round surfaces become visibly faceted. For multi-colour parts, 3MF is the right format, as colour assignment and assembly structure are preserved.

• Einheit Millimeter, Bauteil im Maßstab 1:1
• Geschlossenes Volumen ohne offene Kanten oder doppelte Flächen
• Je Datei ein Bauteil, Dateiname wie das Bauteil benannt
• Kritische Maße, Passungen und Belastungsrichtung als kurze Notiz oder bemaßte Skizze dazu
• Angabe, welche Flächen sichtbar sind und welche funktional

• Millimetre units, part at 1:1 scale
• Closed volume without open edges or duplicate faces
• One part per file, file named after the part
• Critical dimensions, fits and load direction as a short note or dimensioned sketch
• State which surfaces are visible and which are functional

Mehr dazu im Artikel Dateien vorbereiten.

More on this in the article Preparing files.

Checkliste vor der AnfrageChecklist before enquiring

Unklar, ob eine Geometrie so druckbar ist? Schicken Sie die Datei mit einer kurzen Beschreibung der Funktion — die Rückmeldung nennt die kritischen Stellen und mögliche Änderungen. Anfrage stellen →

Not sure whether a geometry is printable as designed? Send the file with a short description of its function — the reply names the critical points and possible changes. Send an enquiry →