Open Source Lösung: 3D-gedrucktes PLA so steif wie Stahl

RepRap, der Entwickler von Open-Source-3D-Druckern, hat ein Python-Skript entwickelt, mit dem Benutzer kostengünstige Balken aus PLA 3D-drucken können, die genauso steif wie ihre Pendants aus Stahl sind.

Das quelloffene FreeCAD-Programm ist so einfach zu bedienen. Es sind nur die Angabe einiger grundlegenden Parameter wie Länge, Breite und Höhe des Trägers sowie die Dicke der Streben und der Durchmesser und die Anzahl der Schraubenlöcher in den Befestigungsblöcken an beiden Enden des Trägers erforderlich. Das Skript generiert dann automatisch den gesamten Träger in Form eines druckbaren 3D-Modells.

RepRap hat sein Programm bereits mit dem CR-30-System von Creality getestet, das den Druck von Trägern mit (theoretisch) unendlicher Länge ermöglicht. Das Skript eignet sich auch für Standard-FFF-Systeme, aber ohne Förderband sind die gedruckten Balken auf die Länge der Bauplatte begrenzt.

Die Technik dahinter

Die Software stellt die Trägerstrukturen als sich wiederholende Blöcke von Tetraedern dar. Diese sind sehr stabil und der Großteil des Materials wird für die Außenflächen genutzt. Dies verleiht den Strukturen ein hohes Sekundärmoment der Querschnittsfläche und sorgt für reichlich Biegewiderstand in alle Richtungen. Die diagonalen Streben sind außerdem abgewinkelt, um sicherzustellen, dass 3D-Drucker mit Förderband, die in einem Druckwinkel von 45° arbeiten, den gesamten Träger ohne Verwendung von Stützmaterial herstellen können.

Das RepRap-Programm erzeugt außerdem automatisch Montageblöcke an den Enden jedes Trägers, mit denen die Träger untereinander oder mit anderen Objekten verschraubt werden können. Die größeren Löcher dienen dazu, Kabel, Schläuche und Teile wie Antriebswellen in der Mitte der Träger zu verlegen, während die kleineren Löcher für Winkelabstufungen um die größeren Löcher herum sorgen.

PLA so steif wie Stahl

Um das Python-Skript auf die Probe zu stellen, druckte RepRap 3D eine Reihe von PLA-Trägern und unterzog einen davon einem Biegetest. Der gedruckte Balken war 175 mm lang und wog 47,7 g. Seine Steifigkeit wurde mit 1,02 x 10-⁴ mN-¹ bestimmt, während seine Biegesteifigkeit (Elastizitätsmodul * zweites Flächenmoment) mit 17,5 Nm² berechnet wurde.

RepRap errechnete, dass ein 5 mm dicker quadratischer Stahlträger derselben Länge (175 mm) ebenfalls etwa 47 g wiegen würde. Obwohl der Stahlträger physisch kleiner ist als das gedruckte Gegenstück, hat das Unternehmen einen PLA-Träger gedruckt, der die gleiche Steifigkeit aufweist wie das gleiche Gewicht des Stahls. Darüber hinaus ermöglicht der 3D-Druck variable Balkenabmessungen, die Integration von Kabeln oder dergleichen in das Balkeninnere sowie komplexe Muster von Befestigungen und Löchern.

Das Skript und weitere Informationen hat das Team bei GitHub hochgeladen und kann kostenlos genutzt werden.