Fülldichte Füllmuster im 3D Druck
- Sascha Surbanoski
- vor 3 Tagen
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Aktualisiert: vor 6 Stunden
Füllungen (Infill) und Füllmuster sind ein zentrales Gestaltungselement im FDM 3D Druck mit dem Sie die Festigkeit, das Gewicht, die Druckzeit und die Materialkosten Ihrer Objekte gezielt steuern können.
Inhaltsverzeichnis
Was bedeutet Füllung im 3D Druck?
Als Füllung wird die innere Struktur eines 3D gedruckten Teils bezeichnet. Im Gegensatz zu traditionellen Herstellungsverfahren bei denen Teile massiv oder komplett hohl sind, erlaubt der 3D Druck das Erstellen komplexer innerer Gitterstrukturen. Diese Struktur wird vollständig von der äußeren Hülle umschlossen. Der niedrige Füllunggrad spart dabei Zeit und Material, indem es das Bauteilinnere nicht vollständig ausfüllt.
Warum werden unterschiedliche Füllungsgrade verwenden?
Nicht jedes Teil braucht volle Festigkeit.
Weniger Füllung spart Material und Druckzeit.
Mehr Füllung erhöht Stabilität und Belastbarkeit. Mit der richtigen Wahl passt man das Teil an die Aufgabe an.
Füllungsgrade und ihre Anwendung
Die Fülldichte wird in Prozent (%) angegeben und bestimmt, wie viel des Innenraums mit Material gefüllt ist. Man unterscheidet grob drei Bereiche:
Niedrige Füllgrade (10-40%)
Diese Einstellung eignet sich ideal für rein dekorative Objekte, Figuren oder nicht funktionale Prototypen. Die großen Vorteile sind eine sehr kurze Druckzeit, minimaler Materialverbrauch und geringere Kosten, was die Teile zudem sehr leicht macht. Der entscheidende Nachteil ist die sehr geringe mechanische Festigkeit, sodass solche Drucke anfällig für Brüche und Beschädigungen sind.
Mittlere Füllgrade (40-70%)
Dies ist der Standardbereich für die meisten Alltagsgegenstände, Gehäuse und Teile mit normaler Belastung. Hier findet man ein optimales Gleichgewicht aus Festigkeit, Druckzeit und Materialverbrauch. Für hochbelastete, funktionale Teile ist diese Dichte jedoch nicht ausreichend.
Hohe Füllgrade (70-100%)
Volle oder fast volle Fülldichten sind funktionalen Teilen, Werkzeugen und mechanischen Komponenten vorbehalten. Sie bieten die höchstmögliche Festigkeit und Steifigkeit. Dies geht jedoch mit einem sehr hohen Materialverbrauch und extrem langen Druckzeiten einher.
Warum werden unterschiedliche Füllungsarten verwenden?
Das Muster bestimmt wie Kräfte verteilt werden.
Einfaches Muster druckt schnell.
Komplexes Muster bietet mehr Stabilität.
Je nach Anwendung wählt man das passende Muster.
Füllungsarten und ihre Eigenschaften
Raster
Dieses einfache Gitter aus sich kreuzenden Linien ist schnell zu drucken und bietet eine gute Festigkeit in der X- und Y-Ebene. Allerdings ist es in der Z-Achse (Schichtrichtung) anfälliger für Brüche. Es ist ein gutes Allzweckmuster für große, flache Teile.
Dreieckig
Die Dreiecksstruktur verleiht dem Bauteil eine hohe Steifigkeit und gute Festigkeit in der Ebene. Ein potentieller Nachteil ist, dass sich an den Kreuzungspunkten der Linien Material ansammeln und die Düse kurzzeitig verstopfen kann. Es eignet sich gut für Teile, die Biegekräften widerstehen müssen.
Wabe / Tri-Hexagonal
Dieses Muster aus hexagonalen Zellen, oft verstärkt mit Dreiecken, ist berühmt für sein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Es ist das klassische Muster für stabile, aber leichte Konstruktionen. Die Druckzeit ist jedoch etwas länger als beim einfachen Raster.
Gyroid
Diese wellenförmige, organische Struktur ist in alle Raumrichtungen (isotrop) gleich fest, was sie für Hochleistungsanwendungen prädestiniert. Zudem ermöglicht sie eine gute Flexibilität und sogar den Durchfluss von Flüssigkeiten. Der Nachteil ist eine vergleichsweise lange Druckzeit.
Konzentrisch
Hier folgen die Linien der äußeren Kontur des Objekts. Dies ist sehr materialsparend und schnell, bietet aber nur eine geringe Stabilität, besonders von den Seiten. Es ist ideal für flexible Teile oder rein visuelle Prototypen.
Kubisch / Oktett
Diese 3D Würfel- oder Pyramidenstruktur verteilt Kräfte hervorragend in alle drei Dimensionen und eignet sich damit perfekt für hochbelastete Funktionsteile. Dafür ist der Materialverbrauch etwas höher als bei 2D-Mustern.
Linien / Geradlinig
Es werden parallele Linien gedruckt, die sich mit jeder Schicht um einen Winkel (meist 90°) drehen. Dies ist eines der schnellsten und materialsparendsten Muster, bietet aber nur in zwei Hauptrichtungen Stabilität. Es eignet sich gut für schnelle Entwürfe und Prototypen.
Sind Füllungen nur im FDM Verfahren möglich?
FDM
Das Konzept der Füllung ist primär im FDM-Verfahren verbreitet, kann jedoch unter bestimmten Voraussetzungen auch bei anderen Druckverfahren angewendet werden.
SLA
Beim Resin- bzw. SLA Verfahren ist eine Füllung nur möglich, wenn das Modell über Öffnungen an der Unter- und Oberseite verfügt. Dies gewährleistet, dass überschüssiges Harz vollständig abfließen kann. Die Wahl des Füllmusters ist kritisch. Es muss vermieden werden, dass Harz in Hohlräumen eingeschlossen wird, da dies die Reinigung erschwert und zu späterem Austritt von Harzresten führen kann. Alternativ können Öffnungen nach dem Druck manuell versiegelt werden, was jedoch zusätzlichen Nachbearbeitungsaufwand bedeutet. Die Füllung selbst bleibt im fertigen Bauteil unsichtbar.
SLS
Bei pulverbasierten Verfahren kann durch gezielte Konstruktion eine Füllung realisiert werden. Dafür müssen entweder Boden oder Decke offen bleiben, um ein Einschließen von Pulver zu verhindern. Allerdings kann sich in komplexen Mustern Pulver in Hohlräumen festsetzen und auch nach längerer Zeit noch austreten. Die Füllung sollte nicht zu dicht gewählt werden, damit bei der Reinigung mit Glaskugeln alle Pulverreste vollständig entfernt werden können. Andernfalls verbleibt überschüssiges Pulver im Bauteil.
SLM
Das Metall 3D Druckverfahren SLM verhält sich ähnlich wie SLS. Auch hier müssen Öffnungen an Boden und Decke vorgesehen werden. Eine Alternative besteht darin, ähnlich wie im FDM Druck ein Grünling mit Füllung zu drucken, der anschließend gesintert wird. Durch diese Methode kann ein geschlossenes Metallbauteil mit der gewünschten Füllstruktur erzeugt werden, ohne dass Metallpulver eingeschlossen bleibt.
Kann man die Shore Härte durch den Füllungsgrad beeinflussen?
Ja, indirekt. Die Shore Härte ist primär eine Materialeigenschaft. Bei flexiblen Materialien wie TPU kann die Fülldichte und das Füllmuster das Biegeverhalten und damit die effektive "Weichheit" stark beeinflussen. Eine niedrigere Fülldichte führt zu weicheren, biegsameren Teilen. Muster wie konzentrisch oder Gyroid ermöglichen eine größere Flexibilität als steife Muster wie Dreieck oder Wabe.
Kann man hohl 3D drucken?
Ja, eine Fülldichte von 0 % erzeugt einen vollständig hohlen Innenraum. Dies wird häufig für dekorative Objekte wie Vasen oder Figuren genutzt, um Zeit und Material zu sparen. Allerdings sind hohle Teile sehr schwach und anfällig für Brüche. Zudem können die oberen Schichten (Decken) ohne die stützende Füllung einsacken oder herunterfallen.
Sieht man die Füllung im FDM Verfahren?
Normalerweise nein, da sie komplett umschlossen ist. Allerdings kann sich die Füllung indirekt bemerkbar machen. Bei zu dünnen Wänden kann das Füllmuster auf der Oberfläche des fertigen Teils sichtbar werden. Dies lässt sich durch eine Erhöhung der Wandstärke vermeiden. Bei Beschädigung oder wenn das Teil aufgeschnitten wird, wird die innere Struktur natürlich sichtbar.
Was kann man mit der Füllung noch optimieren?
Gezielte lokale Verstärkung
Durch unterschiedliche Füllgrade innerhalb eines Bauteils kann man die Eigenschaften gezielt steuern. So können stark belastete Bereiche wie Schraubverbindungen oder Kraftangriffspunkte mit 100% Füllung versehen werden, während weniger belastete Zonen mit niedriger Füllung (z.B. 20%) material- und gewichtsparend bleiben.
Integration von Fremdmaterialien
Eine besondere Optimierungsmöglichkeit bietet das Unterbrechen des Drucks kurz vor den obersten Deckschichten. In diesem Stadium kann die Füllung manuell mit speziellen Materialien wie Harz, Sand oder Metallpulver befüllt werden, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Anschließend wird der Druck fortgesetzt und die Füllung vollständig eingeschlossen. Das eingebrachte Material bleibt dabei im fertigen Bauteil unsichtbar, verleiht ihm aber zusätzliche Funktionalitäten.
Stärkere 3D Drucke durch Auffüllen der Füllung
Dieses Video auf Youtube stellt eine faszinierende Methode vor, die 3D Drucke deutlich stabiler macht. Das Einspritzen von geschmolzenem Filament. Angeregt durch "Voxelfill" testet der Creator verschiedene Techniken. Er experimentiert damit, wie man sowohl negative Volumen auffüllen als auch durch maßgeschneiderten G-Code den Infill automatisch verfestigen kann.
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