3D-gedruckte Bauteile können erstaunlich stabil sein – von einfachen Gehäusen und Halterungen bis hin zu funktionalen Bauteilen, die im Alltag tatsächlich belastet werden. Eine pauschale Antwort auf die Frage „Wie stabil ist ein 3D-Druck?“ gibt es allerdings nicht.
Die Belastbarkeit eines 3D-gedruckten Bauteils hängt von mehreren Faktoren gleichzeitig ab: vom verwendeten Material, von der Konstruktion des Bauteils, von seiner Ausrichtung beim Druck und von den gewählten Druckeinstellungen.
Ein richtig konstruiertes und passend gedrucktes Bauteil kann deshalb wesentlich belastbarer sein als ein äußerlich nahezu identisches Bauteil, das ungünstig ausgerichtet oder mit ungeeigneten Einstellungen gefertigt wurde.
Wovon hängt die Stabilität eines 3D-Drucks ab?
Bei einem klassischen FDM-3D-Druck entsteht ein Bauteil Schicht für Schicht. Genau dieser Aufbau ist einer der wichtigsten Punkte, wenn es um die spätere Belastbarkeit geht.
Entscheidend sind unter anderem:
- das verwendete Material
- die Form und Konstruktion des Bauteils
- die Druckrichtung
- die Anzahl und Stärke der Außenwände
- die innere Füllung des Bauteils
- die Verbindung zwischen den Druckschichten
- die Qualität und die gewählten Druckparameter
Mehr Material bedeutet dabei nicht automatisch proportional mehr Stabilität. Es kommt vielmehr darauf an, an welcher Stelle und in welcher Richtung ein Bauteil später belastet wird.
Das Material spielt eine wichtige Rolle
Schon das verwendete Filament beeinflusst die Eigenschaften eines gedruckten Bauteils erheblich.
PLA kann beispielsweise sehr steif sein und eignet sich für viele feste Bauteile, verhält sich jedoch anders als PETG, das häufig etwas zäher und weniger spröde ist. ABS besitzt wiederum andere mechanische und thermische Eigenschaften, während TPU bewusst flexibel und elastisch eingesetzt wird.
Deshalb gibt es nicht das eine „stabilste Filament“ für jeden Anwendungsfall.
Ein Bauteil, das möglichst steif sein soll, stellt andere Anforderungen an das Material als ein Teil, das Stöße aushalten, sich leicht verformen oder dauerhaft höheren Temperaturen widerstehen soll.
Die einzelnen Materialien und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile behandeln wir deshalb ausführlicher in unserem Bereich 3D-Druck-Materialien.
Warum die Druckrichtung so wichtig ist
Ein besonders wichtiger Unterschied zu vielen konventionell gefertigten Kunststoffteilen ergibt sich aus dem schichtweisen Aufbau beim 3D-Druck.
Innerhalb einer gedruckten Schicht kann ein Bauteil sehr belastbar sein. Zwischen den einzelnen Schichten hängt die Festigkeit jedoch davon ab, wie gut sich das neu aufgebrachte Material mit der vorherigen Schicht verbindet.
Dadurch kann ein FDM-gedrucktes Bauteil je nach Belastungsrichtung unterschiedlich stabil sein.
Man kann sich das vereinfacht wie einen Stapel vieler fest miteinander verbundener Schichten vorstellen: Wird das Bauteil in einer ungünstigen Richtung belastet, kann die Kraft stärker auf die Verbindungen zwischen diesen Schichten wirken.
Die Ausrichtung eines Bauteils auf dem Druckbett ist deshalb nicht nur für die Optik oder die Druckbarkeit relevant. Sie kann auch erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des fertigen Bauteils haben.
Gerade bei funktionalen und stärker belasteten Teilen sollte bereits vor dem Druck berücksichtigt werden, aus welcher Richtung später Kräfte auf das Bauteil wirken.
Außenwände oder Infill – was macht einen 3D-Druck stabil?
Ein häufiges Missverständnis lautet:
Je höher das Infill, desto stabiler das Bauteil.
Ganz so einfach ist es nicht.
Das Infill bildet die innere Struktur eines 3D-gedruckten Bauteils. Eine höhere Fülldichte kann beispielsweise Steifigkeit und Widerstand gegen Druckbelastungen erhöhen. Für die allgemeine Festigkeit eines Bauteils sind jedoch häufig die Außenwände beziehungsweise Perimeter besonders wichtig.
Mehr und stärkere Außenwände können deshalb in vielen Fällen effektiver zur Belastbarkeit beitragen als eine extreme Erhöhung des Infills.
Ein Bauteil muss also nicht automatisch zu 100 Prozent massiv gedruckt werden, um stabil zu sein. Eine sinnvoll abgestimmte Kombination aus Konstruktion, Außenwänden und innerer Struktur kann bei geringerem Materialeinsatz sehr belastbare Bauteile ermöglichen.
Auch die Konstruktion entscheidet über die Stabilität
Die spätere Belastbarkeit beginnt nicht erst beim Drucker.
Bereits bei der Konstruktion eines 3D-Modells lässt sich beeinflussen, wie Kräfte durch das Bauteil geleitet werden. Sehr dünne Bereiche, scharfe Übergänge oder ungünstig platzierte Verbindungspunkte können Schwachstellen erzeugen.
Umgekehrt können beispielsweise ausreichend dimensionierte Wandstärken, Verstärkungen und günstig gestaltete Übergänge dazu beitragen, Kräfte besser im Bauteil zu verteilen.
Deshalb kann es einen großen Unterschied machen, ob ein Modell lediglich optisch die gewünschte Form besitzt oder von Anfang an für den 3D-Druck und den vorgesehenen Einsatzzweck konstruiert wurde.
Ist ein 3D-Druck genauso stabil wie ein herkömmliches Kunststoffteil?
Auch darauf gibt es keine pauschale Antwort.
Ein 3D-gedrucktes und ein konventionell gefertigtes Kunststoffteil können selbst beim gleichen Grundmaterial unterschiedliche mechanische Eigenschaften besitzen. Beim FDM-3D-Druck entsteht das Bauteil aus einzelnen aufeinander aufgebrachten Materialbahnen und Schichten. Dadurch können seine Eigenschaften stärker von der jeweiligen Belastungsrichtung abhängen.
Für viele Anwendungen ist das überhaupt kein Problem – vorausgesetzt, Material, Konstruktion und Druckparameter sind auf den gewünschten Einsatzzweck abgestimmt.
Bei sicherheitskritischen oder besonders hoch belasteten Bauteilen sollte die notwendige Belastbarkeit dagegen immer technisch geprüft und gegebenenfalls durch geeignete Tests nachgewiesen werden.
Wie lässt sich ein 3D-Druck stabiler machen?
Vereinfacht lässt sich die Belastbarkeit eines FDM-gedruckten Bauteils vor allem durch eine sinnvolle Kombination mehrerer Faktoren beeinflussen:
Deshalb ist beim professionellen 3D-Druck nicht nur entscheidend, ob sich ein Modell drucken lässt, sondern auch wie es gefertigt wird.
Fazit: 3D-Drucke können sehr stabil sein
3D-gedruckte Bauteile können für zahlreiche praktische und funktionale Anwendungen eine hohe Belastbarkeit erreichen. Wie stabil ein konkreter 3D-Druck tatsächlich ist, hängt jedoch nicht von einem einzigen Wert ab.
Material, Konstruktion, Druckrichtung, Außenwände, Infill und Schichthaftung müssen gemeinsam betrachtet werden.
Die Frage lautet deshalb weniger:
„Ist 3D-Druck stabil?“
„Wie muss dieses Bauteil konstruiert und gedruckt werden, damit es die gewünschte Belastung aushält?“
Genau diese Abstimmung entscheidet letztlich darüber, ob aus einem digitalen Modell ein lediglich optisch gelungenes oder auch funktional belastbares Bauteil entsteht.