MJF 3D-Druck-Designtipps: 9 bewährte Vorgehensweisen

Multi Jet Fusion (MJF) ist eine von HP entwickelte Pulverbett-Fusionstechnologie, die mithilfe von Hitze und Chemikalien detaillierte, hochfeste Kunststoffteile herstellt. Im Gegensatz zu extrusionsbasierten Verfahren erzeugt MJF dichte, isotrope Teile mit hervorragender Oberflächenbeschaffenheit und mechanischer Leistung und eignet sich daher sowohl für funktionales Prototyping als auch für die industrielle Produktion.

MJF bietet viele Vorteile: hohe Baugeschwindigkeiten, präzise Detailauflösung und die Möglichkeit, komplexe Geometrien ohne Stützstrukturen herzustellen. Dank effizienter Verschachtelung und kurzer Abkühlzeiten ist es zudem eine der kosteneffizientesten Optionen für die Produktion mittlerer bis großer Stückzahlen. Gängige Materialien sind PA 12, PA 11, Polypropylen und TPU – jeweils ausgewählt aufgrund ihrer Haltbarkeit, Flexibilität und Hitzebeständigkeit.

Für hochwertige MJF-Teile ist intelligentes Design unerlässlich. Viele häufige Probleme – wie Verzug, Pulvereinschluss oder schlechte Oberflächenbeschaffenheit – lassen sich durch die Einhaltung wichtiger Designprinzipien vermeiden. Die Beachtung von Faktoren wie Wandstärke, Pulverabfluss und Teileausrichtung kann die Leistung und den Druckerfolg deutlich verbessern, wobei zu beachten ist, dass diese immer designbezogen sind. Hier sind die wichtigsten Designtipps für den MJF-3D-Druck.

1. Achten Sie auf die richtige Wandstärke

Zu dünne Wände können sich verformen oder spröde werden, während zu dicke Wände beim Drucken zu Hitzestaus führen und Verformungen oder ungleichmäßige Abkühlung verursachen können. Diese Probleme sind bei MJF aufgrund der thermischen Dynamik der Pulverbettfusion besonders kritisch.

Plötzliche Schwankungen der Wandstärke können außerdem zu inneren Spannungen führen, die die Maßgenauigkeit und die strukturelle Leistung beeinträchtigen – insbesondere bei flachen Oberflächen oder großen Teilen.

Faustregel:

• Mindestens 0,7 mm dicke Wände fürPA 12 und bis zu 2,0 mm für steifere Materialien.
• Mit interner Unterstützung sind Wandstärken von nur 0,6 mm möglich, für gleichbleibende Ergebnisse sind jedoch 1,3 mm vorzuziehen.
• Vermeiden Sie Wände, die dicker als 7 mm sind, da überschüssiges Material zu inneren Spannungen und Verformungen führen kann.
• Sorgen Sie für eine gleichmäßige Wandstärke im gesamten Teil, um das Risiko einer Verformung zu verringern.
• Fügen Sie Rippen oder Filets hinzu, um dünne Bereiche zu verstärken und die Spannung gleichmäßiger zu verteilen.

2. Verstärken Sie lange und dünne Merkmale

Schlanke Elemente wie Ausleger, Haken oder Klammern sind bei MJF besonders anfällig. Ohne entsprechende Verstärkung können sie sich aufgrund nicht unterstützter Geometrie oder konzentrierter Spannung verbiegen, brechen oder verziehen.

Dieses Risiko steigt bei hohen Aspektverhältnissen oder scharfen Übergängen, insbesondere in Z-Richtung, wo MJF-Teile stärker einer ungleichmäßigen Erwärmung und Abkühlung ausgesetzt sind.

Faustregel:

• Bei Auslegern mit einer Breite < 1 mm muss das Seitenverhältnis (L/B) < 1 sein.
• Verwenden Sie aus Gründen der Haltbarkeit eine Mindestdicke der Kragarmbasis von 1 mm .
• Fügen Sie an Spannungspunkten oder erweiterten Merkmalen Rundungen oder Rippen hinzu.
• Vermeiden Sie scharfe Kanten und verwenden Sie sanfte, fließende Übergänge, um die mechanische Belastung zu minimieren.

3. Optimierung von Hohl- und Innenstrukturen

In geschlossenen Räumen wie Hohlkörpern, Kanälen oder Gittern sammelt sich häufig nicht geschmolzenes Pulver. Ohne ordnungsgemäße Entwässerung erhöht das eingeschlossene Material das Teilegewicht und erschwert die Nachbearbeitung, insbesondere bei komplexen Geometrien. Wird dieses Problem nicht behoben, kann dies zu einer schlechten Oberflächenqualität oder verstopften Kanälen führen, wodurch das Teil unbrauchbar oder schwerer zu reinigen wird.

Faustregel:

• Fügen Sie zwei oder mehr Abflusslöcher (jeweils ≥ 5 mm ) auf gegenüberliegenden Seiten der Hohlteile ein.
• Halten Sie für eine effektive Pulverabsaugung einen Mindestabstand von 1 mm zum Gitterbalken ein.
• Fügen Sie in Kanälen eine Streifen- oder Kettenfunktion hinzu, um die Pulverentfernung nach dem Drucken zu erleichtern.
• Verwenden Sie für Kanäle, die schmaler als 5 mm sind, nach dem Drucken ein flexibles Reinigungswerkzeug .
• Halten Sie in ausgehöhlten Teilen eine Wandstärke von 2–3 mm ein und berücksichtigen Sie bei vollständiger Umschließung Perforationen.
• Ausgehöhlter Teil mit Abflusslöchern für den Pulveraustritt
• Teil mit einer wabenförmigen Strukturfüllung

• 4. Sorgen Sie für ausreichenden Teileabstand

  Teile, die zusammenpassen, gleiten oder rotieren sollen, müssen ausreichend Spiel haben. Bei zu geringem Abstand können Oberflächen beim Drucken verschmelzen oder nach der Montage verrutschen. Da MJF mechanische Toleranzen oder Reibung in digitalen Modellen nicht berücksichtigt, müssen Designer dies durch funktionale Lücken auf Grundlage des realen Verhaltens ausgleichen.

  Faustregel:

  • Zusammen gedruckte Teile: Mindestabstand 0,7 mm .
  • Für die Nachmontage: Verwenden Sie 0,4 mm Spiel oder 0,2 mm für Passungen.
  • Bei einer Wandstärke von < 3 mm können auch Spalten von nur 0,3 mm funktionieren, es müssen jedoch Tests durchgeführt werden.
  • Richten Sie Teile im CAD aus, um die tatsächliche Montagepositionierung widerzuspiegeln.
  • Fügen Sie Zeichnungen oder Notizen hinzu, um bewegliche Teile während der Nachbearbeitung zu kennzeichnen.

  • 5. Vermeiden Sie große flache Oberflächen

    Flache, breite Oberflächen – insbesondere solche, die parallel zur Bauebene gedruckt werden – neigen aufgrund ungleichmäßiger Wärmeverteilung und Schrumpfung zum Verziehen. Das Hinzufügen von Stützrippen kann das Problem durch Spannungskonzentration verschlimmern. Verzogene Oberflächen verringern die Maßgenauigkeit, verursachen kosmetische Mängel und können die funktionale Passform des Teils beeinträchtigen.

    Faustregel:

    • Vermeiden Sie nach Möglichkeit große, flache Oberflächen (z. B. Flugzeuge im A4-Format).
    • Ersetzen Sie breite Bereiche durch Gitter, Ausschnitte oder Rippen, um die thermische Belastung zu reduzieren.
    • Halten Sie flache Bereiche nahe der Unterseite des Baus, um Z-Achsen-Effekte zu minimieren.
    • Halten Sie in breiten Bereichen eine Mindestdicke von 0,3 mm ein, um ein Aufrollen zu vermeiden.

    6. Verzug bei langen Teilen minimieren

    Dünne, längliche Teile sind besonders anfällig für Schrumpfung und Verformung. Kühlt ein Bereich schneller ab als ein anderer, entstehen innere Spannungen, die das Teil verziehen – insbesondere bei abrupten Änderungen der Querschnittsdicke. Diese Verformung führt häufig zu Biegungen, unebenen Kanten oder Teilen, die außerhalb der Maßtoleranzen liegen.

    Faustregel:

    • Vermeiden Sie Seitenverhältnisse größer als 10:1 (Länge vs. Breite) in nicht unterstützten Abschnitten.
    • Erhöhen Sie die Wandstärke , um die Kühlung bei langen Elementen auszugleichen.
    • Verwenden Sie sanfte Übergänge , um Belastungen durch plötzliche Geometrieänderungen zu vermeiden.
    • Durch Aushöhlen oder Verwenden von Innengittern wird eine gleichmäßigere Materialverteilung und Kühlung gewährleistet.

    7. Entwerfen Sie Schnappverbindungen mit Blick auf MJF

    Schnappverbindungen sind eine einfache Möglichkeit, Kunststoffteile zu montieren. Allerdings muss die Größe sorgfältig gewählt werden, um Flexibilität zu gewährleisten und Brüche zu vermeiden. Sind die Überhänge zu spitz oder der Träger zu starr, kann er bei der Montage brechen.

    Beim Design für MJF geht es darum, zu verstehen, wie sich das Material biegt und wo während des Eingriffs Spannungen abgebaut werden können.

  • Faustregel:

    • Sockeldicke: ≥ 1 mm für den Ausleger.
    • Überstandstiefe: ≥ 1 mm für sichere Verriegelung.
    • Fügen Sie Radien = ½ Basisdicke an der Wurzel hinzu, um die Belastung zu verteilen.
    • Fasen Sie die Spitze des Überhangs ab, um die Einsteckkraft zu verringern.
    • Halten Sie den Montagewinkel zwischen 35° und 40° und verjüngen Sie die Balken, um die Spannung zu verringern.

    Nikolaus Mroncz

    Leiter Vertriebstechnik

    Für Schnappverschlusskonstruktionen ist PA 11 die beste Wahl. Es bietet eine höhere Bruchdehnung als PA 12, ist dadurch flexibler und weniger anfällig für Risse bei wiederholter Belastung – ideal, wenn sich der Haken zuverlässig biegen und wieder in seine Form zurückversetzen muss.

    8. Vermeiden Sie tiefe Sacklöcher ohne Pulveraustritt

    Sacklöcher, Schraubendome oder tiefe Hohlräume können Pulver einschließen, wenn es nicht entweichen kann. Je tiefer das Loch, desto schwieriger ist die Reinigung – oft ist ein manueller Eingriff erforderlich.
    Pulverrückstände in Gewindelöchern oder Buchsen können Befestigungselemente blockieren oder die Struktur schwächen, wenn sie an Ort und Stelle verbleiben.

    Faustregel:

    • Fügen Sie Ausgangslöcher oder Fluchtkanäle mit klarer Sichtlinie hinzu.
    • Bei tiefen Löchern (> 12,7 mm ) sind mehrere Austrittspunkte entlang der Tiefe vorzusehen.
    • Verwenden Sie Rundungen an der Basis von Vorsprüngen, um das Merkmal zu verstärken und die Spannung zu verringern.

    • 9. Verwenden Sie lesbare geprägte und gravierte Details

      Texte, Logos und Oberflächenmerkmale werden häufig zur Markenbildung oder Teileidentifikation verwendet. Sind sie jedoch zu klein, können sie beim Drucken verschwimmen oder in der Nachbearbeitung verschwinden. Geprägte Merkmale reagieren besonders empfindlich auf Oberflächenbehandlungen wie Kugelstrahlen und Dampfglätten, da diese Kanten abrunden und die Konturenschärfe beeinträchtigen können.

      Faustregel:

      • Verwenden Sie sowohl für geprägte als auch für gravierte Merkmale eine Mindestlinienstärke von 0,5 mm .
      • Geprägt: ≥ 1 mm Höhe ; Graviert: ≥ 0,5 mm Tiefe .
      • Stellen Sie sicher , dass die Gesamthöhe der Zeichen mindestens 2,5 mm beträgt, um eine gute Lesbarkeit zu gewährleisten.
      • Die besten Ergebnisse erzielen Sie, wenn Sie den geprägten Text mit der Vorderseite nach unten und den gravierten Text mit der Vorderseite nach oben ausrichten.
        Vermeiden Sie erhabene oder gravierte Merkmale , die kleiner als 0,5 mm sind , da diese die Nachbearbeitung möglicherweise nicht überstehen.

      • Referenzhandbuch zu den MJF-3D-Druckspezifikationen

      • Die folgende Tabelle zeigt Spezifikationen für die Gestaltung von Teilen, die mit der MJF-Drucktechnologie 3D-gedruckt werden sollen.

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Um MJF-3D-Druck effektiv zu gestalten, müssen Sie die spezifischen Einschränkungen und Möglichkeiten der Technologie verstehen. Durch die Anwendung der richtigen Konstruktionspraktiken – wie z. B. die Beibehaltung einer gleichmäßigen Wandstärke, die Entwässerung geschlossener Elemente, die Gewährleistung eines ausreichenden Teileabstands und die Optimierung der Teileausrichtung – können Sie das Risiko häufiger Defekte wie Verzug, Pulvereinschlüsse oder Oberflächeninkonsistenzen reduzieren.

Bei JSJM unterstützt Sie unser Engineering-Team bei der Anwendung dieser Designprinzipien, um zuverlässige, funktionale Teile zu entwickeln, die für Ihre spezifische Anwendung geeignet sind. Entdecken Sie unseren MJF 3D-Druckservice und erfahren Sie, wie er Ihre Prototyping- oder Produktionsanforderungen unterstützen kann.