Was Infill im 3D-Druck ermöglicht

Der Zweck eines Infill ist die Optimierung des Gewichts, der Festigkeit und der Druckzeit eines 3D-gedruckten Bauteils. Teile, die mit Herstellungsverfahren wie dem Spritzguss produziert werden, müssen entweder massiv oder hohl gefertigt werden. Teile aus dem FDM-3D-Druck (Fused Deposition Modeling) lassen sich mit unterschiedlichen strukturellen Mustern produzieren, um den Raum zwischen den Außenwänden auszufüllen. Ohne den Einsatz von Infill sind einige Teile überhaupt nicht druckbar, weil dann ungestützte Oberflächen im Entwurf vorhanden wären. Infill fügt zudem zusätzliche Festigkeit hinzu und bedeutet einen Kompromiss zwischen Druckzeit und Materialaufwand. Zwar können manche Teile auch ohne Infill gedruckt werden. Allerdings handelt es sich dabei meistens um Hohlkörper, die nach oben offen sind, wie etwa Vasen und die somit nicht für strukturelle Anwendungen geeignet sind. Durch die richtige Wahl des Infill im 3D-Druck lassen sich sowohl Druckzeit als auch Material sparen. Demgegenüber ist der massive Druck eines Teils oft unnötig und damit Materialverschwendung. Ein Infill kann zudem strategisch so platziert werden, dass sich die Festigkeit dort erhöht, wo während der Nutzung die größten Lasten auftreten. Eine höhere Dichte des Infill bedeutet, dass ein größerer Anteil des Innenraums aus Füllmaterial besteht.

Ein konventionell 3D-gedrucktes Teil besitzt eine äußere Hülle mit vordefinierter Dicke. Die Infill-Struktur wird vollständig von dieser Hülle umschlossen und ist nach Ende des Drucks nicht mehr zu sehen. Sie wird gleichmäßig im Inneren des Teils verteilt. Das gedruckte Infill wird zur Zeitersparnis in der Regel mit einer höheren Geschwindigkeit als die äußere Hülle gedruckt. Die unterschiedlichen Infill-Muster haben dabei alle ihre individuellen Vor- und Nachteile. Für den 3D-Drucker gibt es viele unterschiedliche Versionen. Im Folgenden stellen wir einige der im 3D-Druck genutzten Infill-Muster vor.

Das linienförmige Infill besteht pro Schicht aus mehreren parallelen Linien. Jede Schicht kreuzt dabei die vorherige in einem 90°-Winkel. Im Gegensatz zu anderen Mustern überkreuzen sich die Linien dabei nicht in der gleichen Schicht. Dies erhöht die Festigkeit des Teils in zwei Raumrichtungen. Die Linienfüllung ist geringfügig schneller als das Gitter oder Dreiecksmuster.

Das konzentrische Infill im 3D-Druck ist eines der schnellsten Infill-Muster, die man drucken kann, zugleich verbraucht es am wenigsten Material. Allerdings geschieht dies auf Kosten der Stabilität des Teils. Das konzentrische Muster ist weniger stabil als andere Infill-Typen, insbesondere bei Lasten aus der x- oder y-Richtung.  

Das Kreisel- oder Gyroid-Infill erzeugt abwechselnde Wellenlinien oder Kurven. Dieses Muster braucht im Druck länger als andere. Durch die kreiselnde Struktur im Inneren ergeben sich nahezu isotrope mechanische Eigenschaften. Die Drucke sind zwar auf der z-Achse immer noch etwas schwächer, aber das Muster erhöht die Scherfestigkeit in der x- und y-Achse. Das Gyroid-Muster funktioniert sehr gut mit flexiblen Materialien.

Das Rastermuster platziert den Kunststoff in einem kubischen Gitter, das sich selbst in einem 90°-Winkel kreuzt. Dieses Muster ist ideal für 3D-Druck mit großen, flachen Oberflächen. Ein gerastertes Infill-Muster kann jedoch auch zur Verstopfung der Düsen führen, da die Linien sich in derselben Schicht überkreuzen.

Das Oktett-Füllmuster erzeugt im 3D-Druck tetrahedrale Körper im Inneren des Teiles. Es eignet sich am besten für Teile mit großen, horizontalen Oberflächen. Aufgrund der sich verjüngenden Natur der pyramidenförmigen Körper ist die Bildung von Lücken zwischen den Wänden des Infills möglich. Dies ermöglicht kürzere Spannweiten zwischen den Infill-Wänden und verringert die Gefahr, dass das Material durchhängt. Eine Verbesserung der äußeren Oberflächen kann somit erreicht werden, ohne dass die Dichte des Infills erhöht werden muss.

Diese Variante ermöglicht es, auf Kosten der Festigkeit schneller zu drucken. Die Stützstrukturen werden in Form eines Blitzes hinzugefügt und nur dort eingesetzt, wo sie auch erforderlich sind. Die Teile sind also Hohlkörper, außer in Bereichen, in denen eine Unterstützung für horizontale Elemente oder interne Überhänge erforderlich ist.

Das dreieckige Füllmuster erzeugt im 3D-Druck eine dreieckige Gitterstruktur, die sich selbst in einem 60°-Winkel schneidet. Diese Art von Infill-Muster wird am besten für Teile mit großen, flachen Oberflächen eingesetzt und ähnelt in der Leistung dem Gittermuster. Auch beim dreieckigen Infill kann es zur Verstopfung der Düse kommen, da sich die Linien in derselben Schicht kreuzen.

Das tri-hexagonale Füllmuster ist das stärkste Infill-Muster. Es überkreuzt sich und erzeugt ein von Dreiecken durchsetztes hexagonales Muster. Aufgrund der Überkreuzung der Linien neigt auch dieses Infill-Muster dazu, die Düse des Druckers zu verstopfen.

Dieses Füllmuster erzeugt kubische Körper im Teileinneren. Ähnlich wie beim Dreiecks-Infill wird ein geschichtetes Muster erzeugt. Die individuellen Schichten liegen so versetzt zueinander, dass sie abgeschlossene würfelförmige Körper im Teil erzeugen. Diese sind dabei so ausgerichtet, dass der Würfel an einer Ecke ausbalanciert ist.

Das Kreuzmuster erzeugt mehrere Kreuzformen als Infill. Dieses Muster ist im 3D-Druck ideal als Form für flexible Teile geeignet, da es dem Teil erlaubt, sich zu biegen und zu verdrehen. Bei härteren Kunststoffen ist es hingegen wenig hilfreich.

Prototypen und Bastlerkreationen benötigen selten mehr als 20 % Infill. Funktionale Teile brauchen meist einen Infill-Prozentsatz von 50 % oder mehr. In den meisten Fällen sind Dichten zwischen 20 und 50 % ideal. Weniger als 20 % führen zu wenig stabilen Teilen, während bei mehr als 50 % zu viel Zeit für den Druck aufgewendet wird und zu viel Material eingesetzt wird. Für Objekte, die keinen nennenswerten mechanischen Lasten ausgesetzt sind, ist ein Infill-Prozentsatz von 20 % ausreichend. Es kann jedoch je nach Geometrie des Teils ein anderer Prozentsatz erforderlich sein. So kann bei einer flachen, horizontalen Oberfläche eine höhere Infill-Dichte notwendig werden, damit die Deckschicht aufgrund mangelnder Unterstützung nicht einsackt. Eine höhere Infill-Dichte gewährt eine bessere Zugfestigkeit. Auch das Filamentmaterial und die Druckausrichtung sind ausschlaggebend. FDM-gedruckte Teile sind anisotropisch und aufgrund der schwächeren Verbindung zwischen den Schichten in Richtung der z-Achse grundlegend schwächer. Wird ein FDM-Teil in der z-Richtung belastet, so ist der entscheidende Faktor für die Zugfestigkeit die Qualität der Verbindung zwischen den Schichten. In diesem Fall hat der Infill-Prozentsatz nur einen geringen Einfluss.

Quelle: Xometry Europe