3D-Nesting für Platzoptimierung und Materialersparnis beim 3D-Druck
Die Modellierung ist ein entscheidender Schritt im Prozess der additiven Fertigung. Mit dieser Technik lassen sich detaillierte Produkte mit komplexen Formen herstellen. In der 3D-Druck-Branche gibt es zahlreiche CAD-Programme, mit denen man ein Teil additiv herstellen kann. Angesichts des wachsenden Marktes müssen die Akteure in der Branche ihre Produktionszeiten verkürzen und gleichzeitig Material einsparen, ohne die Qualität der Teile zu beeinträchtigen. Das wirft folgende Frage auf: Wie kann man die Produkt-Herstellung mit dem 3D-Drucker beschleunigen? Eine Antwort: Man muss mehrere Teile gleichzeitig in einem einzigen Druckvorgang herstellen. Hier kommt 3D-Nesting ins Spiel, oder vereinfacht gesagt: Schachtelung.
Dieser Ansatz dient dazu, um möglichst viel Material und Zeit bei der Herstellung von Teilen einzusparen. Eine Nesting-Software wird nicht als CAD-Software betrachtet, da man damit kein Modell entwerfen kann. Vielmehr besteht ihre Aufgabe darin, die Platzierung der Teile im verfügbaren Fertigungsvolumen zu optimieren, um die Menge an 3D-Druckprodukten in einem einzigen Druckvorgang zu erhöhen. Ob automatisiert oder manuell, die 3D-Schachtelung sortiert, orientiert und organisiert 3D-Dateien, um den Platz innerhalb eines 3D-Druckers zu maximieren, ohne dabei die Bereiche zu beeinträchtigen, die nicht für den Druck genutzt werden.
Die Teile sind in verschiedenen Winkeln zueinander geschachtelt, um das komplette Volumen des 3D-Druckers optimal auszuschöpfen. (Bild: Materialise)
Wird der Platz im Drucker nicht genutzt oder die Software nicht effizient genutzt, kommt es mitunter zu Materialverschwendung und Druckfehlern. Die Nesting-Software im 3D-Druck funktioniert ähnlich wie das Videospiel Tetris. Ziel ist es, jeden Block in ein ganz bestimmtes Feld zu setzen, um den Platz auf dem Spielfeld zu optimieren. Nesting wird nun zunehmend in CAD-Lösungen als zusätzliche Option angeboten. Zu einigen der auf dem Markt erhältlichen Softwares gehören Fabpilot von Sculpteo, 4D_Additive von CoreTechnologie oder Fusion 360 und Inventor Nesting von Autodesk. Die meisten Nesting-Lösungen sind Erweiterungen der CAD-Software.
Nesting funktioniert mit fast allen 3D-Drucktechnologien. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass 3D-Nesting bei Verfahren, die mit Pulver arbeiten und keine Stützstrukturen benötigen, vorteilhafter ist. Daher sind 3D-Drucker, die mit PBF-Technologien funktionieren, wie DMLS, SLS oder Multi Jet Fusion besser für 3D-Nesting geeignet. Sintratec, einer der führenden Hersteller von SLS-3D-Druckern aus der Schweiz, hat die Vorteile dieser Software für 3D-Drucker mit selektivem Lasersintern bestätigt. Nach eigenen Aussagen konnte Sintratec bei rund 100 Druckaufträgen durch Nesting 800 Stunden für die Herstellung der Teile, 47 Kilogramm Pulver und 50 Arbeitsstunden einsparen. Diese Technik zielt also darauf ab, die Produktivität zu steigern und gleichzeitig Material einzusparen. Binder Jetting ist ebenfalls eine Technologie, die sich hervorragend für die Schachtelung eignet. Allerdings lassen sich bedeutend mehr Einsätze in Pulverbettschmelz-Verfahren finden.
3D-Nesting eignet sich vor allem für 3D-Drucktechnologien mit Pulver.
Alle Materialien, die bei den genannten 3D-Drucktechniken verwendet werden können, eignen sich auch für Nesting. Es ist also möglich, die 3D-Schachtelungsmethode mit Metall, Nylon, PEEK, Polypropylen oder auch Harz zu nutzen. Bei Technologien wie DLP und MSLA kann man 3D-Nesting ebenfalls einsetzen. Wenn jedoch das Materialsparen nicht im Fokus steht, ermöglicht das Schachteln immerhin eine erhebliche Zeitersparnis im Herstellungsprozess. 3D-Nesting ist daher mit allen Arten von 3D-Druckern kompatibel. Allerdings wird die Software aufgrund des höheren Fertigungsvolumens überwiegend im professionellen und industriellen Bereich eingesetzt, in der Automobilindustrie, der Medizintechnik oder der Luft- und Raumfahrt. Genau genommen gehen Nesting und 3D-Druck Hand in Hand: Wo der 3D-Druck eingesetzt wird, kann auch Nesting eingesetzt werden. Die Komponenten, die ineinander geschachtelt werden, müssen nicht alle gleich sein, sondern hängen von den Anforderungen des Kunden ab. Sie können unterschiedliche Größen und Formen haben.
Diese Fehler gilt es beim 3D-Nesting zu vermeiden
Bei der Verwendung einer 3D-Nesting-Software muss man auf einige wichtige Details achten, um Fehler beim Drucken zu vermeiden. Zunächst einmal ist es bei einer automatisierten oder manuellen Schachtelung wichtig, dass man bei SLS-Verfahren mindestens 1,5 mm und bei MJF-Verfahren mindestens 5 mm Platz zwischen allen Komponenten der 3D-Datei lässt. Die von den 3D-Druckern erzeugte Hitze wird so verhindern, dass die Teile während des Druckvorgangs miteinander verschmelzen. Zweitens kann es auch zum Phänomen der Interlocking Rings kommen. Dieses Problem tritt auf, wenn die Software die Struktur zweier ringförmiger Teile nicht beachtet und die Elemente sich überschneiden oder miteinander verbunden werden. Die beiden Teile sind somit unbrauchbar. Der dritte Fehler besteht darin, dass ein kleines Objekt in den offenen Raum eines Teils mit größeren Abmessungen gedruckt wird, sodass es nicht mehr entnommen werden kann. Der Nutzer muss also eine kleine Öffnung vorsehen, damit die beiden Teile leichter entfernt werden können. Doch selbst wenn diese Fehler vermieden werden, darf der Verschachtelungsprozess nicht radikal verändert werden, sonst kann es mitunter zu Curling kommen. Dieses Phänomen beim 3D-Druck tritt auf, wenn die Druckschichten nicht richtig aneinander haften, was zu gekrümmten Kanten oder falsch ausgerichteten Schichten führt.
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*Titelbildnachweis: Sintratec
