Infill im 3D-Druck: Füllgrad, Muster und Festigkeit

Thema: 3D-Druck: Einstellungen, Material & Fehler

Für einen Werkzeughalter oder Schutzbacken für den Schraubstock liegt der Griff zum Füllgrad nahe: 50 % statt 20 %, dann hält das Teil schon. Der Prozentwert beschreibt aber nur, wie dicht der Kern gefüllt ist. Die Belastbarkeit hängt ebenso von Wänden, Deckschichten, Lastrichtung und Schichtverbund ab.

Was Infill im Druckteil leistet

Der Slicer zerlegt jede Schicht in Wände (Perimeter), massive Boden- und Deckschichten und die Füllung dazwischen. UltiMaker beschreibt Infill als innere Struktur, die Festigkeit gibt und zugleich Material spart. Prusa nennt eine zweite Aufgabe: Infill stützt die Deckschichten, die sonst über leeren Raum gespannt würden, und verhindert Lücken und Löcher in den Oberflächen.

Für ein Sichtmodell genügt die Stütze der Deckflächen, für einen Halter mit Schraubverbindung zählt die Lastaufnahme. Ein Glättdurchgang wie beim Ironing im 3D-Druck verbessert Deckflächen, ersetzt aber keine fehlende Unterstützung darunter.

Füllgrad: was der Prozentwert aussagt

Laut UltiMaker liegen die Infill-Linien umso enger, je höher der Füllgrad ist; ein gesetzter Linienabstand hat in Cura Vorrang vor dem Prozentwert. Bei parallelen Linien von 0,45 mm Breite entsprechen 15 % rechnerisch etwa 3 mm Abstand. Das ist eine eigene Näherung; die Slicer rechnen je Muster unterschiedlich.

Prusa hat nach eigenen Tests 10–20 % als Ausgleich zwischen Festigkeit, Prozesssicherheit, Druckzeit und Materialverbrauch in die Profile übernommen. Für große, einfache PLA-Teile können 5 % oder weniger reichen; mehr als 40 % ist laut Prusa meist wenig sinnvoll.

Infill-Muster im Vergleich

Muster unterscheiden sich darin, ob sie in jeder Schicht gleich liegen (2D) oder sich über die Höhe ändern (3D) und ob sich Bahnen innerhalb einer Schicht kreuzen. Die Tabelle fasst Angaben von Prusa (P) und UltiMaker (U) zusammen; Pillowing bezeichnet Aufwölbungen in der Deckfläche.

Gleiche Namen bedeuten nicht zwingend gleiche Bahnführung: Prusa nennt für Honeycomb deutlich mehr Material und Zeit, UltiMaker führt es als Standard technischer Profile. Vergleiche von Zeit und Material gelten deshalb nur innerhalb eines Slicers.

Eigenes Rechenbeispiel: Masse eines Halteklotzes

Wir nehmen einen Halteklotz von 60 × 40 × 20 mm aus PLA an: zwei Wände zu je 0,45 mm, je vier Boden- und Deckschichten zu 0,2 mm und eine Dichte von 1,24 g/cm³ laut NatureWorks-Datenblatt für Ingeo 3D850. Der Füllgrad wird vereinfacht als Volumenanteil des Kerns gerechnet, der 58,2 × 38,2 × 18,4 mm ≈ 40,9 cm³ misst: m = ρ × (V_Hülle + Füllgrad × V_Kern).

Bei 15 % steckt gut die Hälfte der Masse in der Hülle. Die Verdopplung auf 30 % kostet 7,6 g mehr (≈ +46 %), zwei zusätzliche Wände nur 3,3 g (≈ +20 %). Welche Variante fester ist, sagt die Rechnung nicht; die Wände liegen aber außen, wo bei Biegung und Torsion die höchsten Spannungen auftreten.

Festigkeit hängt nicht nur am Füllgrad

Fekiač und Kollegen prüften PLA-Zugproben nach ASTM D638 (Typ I) mit drei Perimetern und den Mustern Cubic, Gyroid und Linear bei 20 bis 80 % Füllgrad. Die vierfache Dichte steigerte die Zugfestigkeit nur um etwa 41 % (Linear, Gyroid) bis 57 % (Cubic), bei Cubic von 13,4 auf 21,1 MPa. Die Muster lagen je Dichte höchstens 1,4 MPa auseinander. Das sind Werte der ganzen Probe, keine Werkstoffkennwerte der Festigkeit.

Prusa sieht dieselbe Richtung: Über 20 % wird ein Teil zäher, mehr Perimeter wirken dafür aber besser. Auch zusätzliche Wände um die Füllbereiche erhöhen laut UltiMaker die Festigkeit deutlich. Quer zu den Lagen entscheiden die Druckorientierung zur Lastrichtung und die Schichthaftung.

Örtlich lässt sich gezielter verstärken: PrusaSlicer füllt über „Solid infill threshold area“ kleine Hohlräume vollständig. Für Schraubpunkte, Gewindebuchsen oder Muttern, die per Druckunterbrechung mit Einlegeteilen eingesetzt werden, bietet sich örtlich mehr Wandmaterial an statt eines höheren Füllgrads im ganzen Teil.

Typische Fehler und Grenzen

Ist die Füllung zu dünn, drohen laut Prusa Lücken oder Löcher in Deck- und Schrägflächen; Triangles und Tri-Hexagon brauchen laut UltiMaker mehr Deckschichten. Blitz-Infill trägt nach UltiMaker nichts zur Festigkeit bei und kann in großen Volumen instabil werden. Für Halter und Lehren scheidet es damit aus.

Bei kreuzenden Mustern wie Grid staut sich laut Prusa Material an den Kreuzungen; die Düse kann daran anschlagen, bis hin zum Fehldruck. Eine hohe Infill-Überlappung verbessert die Anbindung an die Wände, kann das Muster aber durch die Außenwand sichtbar machen. Gradual Infill, die stufenweise Ausdünnung nach unten, senkt laut UltiMaker die Festigkeit und ist nur für Sichtmodelle gedacht. Studienwerte gelten zudem nur für ihre Proben: ein PLA, ein Drucker, eine Schichthöhe.

Auswahlliste für Werkstattteile

Die folgende Reihenfolge ist ein eigener Vorschlag für Halter, Lehren und Vorrichtungsteile.

• Zweck festlegen: Sichtmodell, Lehre ohne nennenswerte Last oder belastetes Funktionsteil.
• Lastrichtung zu den Schichten klären und die Orientierung danach wählen.
• Bei Last zuerst Wände und Deckschichten erhöhen, dann den Füllgrad; über 40 % ist laut Prusa selten sinnvoll.
• Bei unklarer Lastrichtung ein richtungsunabhängiges Muster wie Gyroid oder Cubic wählen.
• Schraubpunkte und Einlegeteile örtlich massiv oder mit mehr Wänden ausführen.
• Blitz-Infill und Support cubic nur für Teile ohne mechanische Aufgabe einsetzen.
• Das Teil wiegen, mit der Slicer-Schätzung vergleichen und ein Probeteil bis zum Bruch belasten.