Eines der Merkmale der additiven Fertigung ist, dass sie eine große Designfreiheit bietet, um komplexe und wirklich beeindruckende Teile zu schaffen. Die perfekte Herstellung von Modellen kann jedoch Zwischenschritte erfordern, wie z. B. den Einsatz von Stützen. Beim 3D-Druck sind Stützen Strukturen, die die freitragenden Bereiche eines Teils stützen. Obwohl es auf den ersten Blick ein einfaches Konzept zu sein scheint, können bei der Konfiguration von 3D-Druckstützen einige Zweifel aufkommen, z. B. wann sie wirklich notwendig sind, wie sie entfernt werden können und welche Nachteile ihre Verwendung haben kann. Um diese Fragen zu beantworten, stellen wir Ihnen heute einen vollständigen Leitfaden für den effektiven Einsatz von Trägern in der additiven Fertigung vor.
Stützstrukturen für die jeweilige Technologie
Wenn Sie den Einsatz dieser Strukturen in Erwägung ziehen, sollten Sie zunächst bedenken, dass je nach verwendeter 3D-Drucktechnologie und der Komplexität Ihres Entwurfs die Art der Stütze und die Funktion variieren werden. Beim FDM-3D-Druck gibt es zum Beispiel zwei allgemeine Regeln, die Sie für Stützstrukturen kennen müssen: die 45-Grad-Regel und die 5-Millimeter-Regel. Die erste bezieht sich auf den horizontalen Versatz der 3D-Drucker zwischen aufeinanderfolgenden Schichten. Wenn also ein Überhang des Teils in einem Winkel von weniger als 45 Grad zur Vertikalen geneigt ist, können Sie diesen Überhang ohne Stützen drucken. Ist der Winkel jedoch größer, stapelt die Maschine die Lagen nicht richtig und der Überhang erfordert Stützkonstruktionen. Andererseits besagt die 5 mm-Regel, dass keine Stützen erforderlich sind, wenn eine Brücke (Abstand zwischen zwei parallelen Punkten auf dem Teil) weniger als 5 mm lang ist, andernfalls aber Druckprobleme auftreten. Um die beiden parallelen Punkte ohne Stützen zu verbinden, verwendet der Drucker eine Technik namens „Bridging“. Bei dieser Methode wird das heiße Material über kurze Strecken gestreckt, um die Verbindung mit minimalem Durchhang herzustellen.
Die 45-Grad-Regel gilt für den 3D-Extrusionsdruck.
Im Gegensatz dazu wird beim 3D-Druck von Kunstharz mit Verfahren wie SLA oder DLP das endgültige Teil durch Photopolymerisation des flüssigen Materials mit Hilfe einer Lichtquelle hergestellt. Diese Technologie ist eine der präzisesten, mit der kleinste und komplexeste Objekte mit exakten Details hergestellt werden können. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass sie in umgekehrter Weise als die Extrusion arbeitet, sodass sich die Druckschale oben befindet. Aus diesem Grund und um sicherzustellen, dass die Drucke auf der Plattform haften, benötigen diese Maschinen fast immer Stützen. Diese Strukturen sehen aus wie dünne Säulen mit nur wenigen kleinen Punkten, die mit dem Modell in Berührung sind, um Material und Fertigungszeit zu sparen. Die Anzahl der Stützen, ihre Position, die Stelle, an der sie das Teil berühren, und ihre Struktur werden von der Software berechnet und hängen von der Komplexität des betreffenden Teils ab. Bei ordnungsgemäßer Nachbearbeitung sollte der 3D-Druck von Kunstharz mit Stützstrukturen die Qualität des fertigen Teils nicht beeinträchtigen.
In der additiven Fertigung gibt es auch eine Reihe von Technologien, die auf einem Pulverbett zur Herstellung der Teile basieren. Zu dieser Gruppe gehören das selektive Lasersintern (SLS), das direkte Metall-Lasersintern (DMLS), das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) oder das Binder Jetting. Generell sind bei diesen Herstellungsverfahren keine Stützen erforderlich, da das Pulver selbst in jeder Schicht als Trägerform dient. Dies ermöglicht zwar eine größere Freiheit bei der Gestaltung der Teile, erhöht aber häufig die Kosten und den Zeitaufwand für den Druck.
Es ist erwähnenswert, dass beim Pulverbettverfahren zwar keine Stützen benötigt werden, jedoch wäre es richtiger zu sagen, dass dies vom Verfahren abhängt. Bei der Arbeit mit Metalltechnologien ist es zum Beispiel etwas komplexer. In diesem Sinne hat der Begriff „Stützen“ eher die Funktion der Verankerung der Teile auf dem Drucktisch. Robert Chiari, Vertriebsleiter bei DMG MORI, erklärt: „Aufgrund der Spannungen in Metallen, insbesondere in hochfesten Materialien wie Titan, kann sich das Material unterhalb der Norm von der Konstruktion lösen. Die Stütze ist also eigentlich eine Platte, die zur Verankerung des Teils während der Konstruktion dient“. Eine weitere Funktion des Pulvers, das die Teile umgibt, ist (neben seiner Funktion als Träger) die Ableitung von Wärme während des Herstellungsprozesses, um die Integrität des Teils oder des Materials nicht zu beeinträchtigen.
Links: ein mit Harz gedrucktes 3D-Teil. Rechts ein „Cockpit-Support“ des Airbus A350 XWB.
Beim Material Jetting 3D-Druck werden flüssige Fotopolymere auf die Druckplatte aufgebracht. Schicht für Schicht wird das Material durch eine ultraviolette Lichtquelle sofort ausgehärtet. In diesem Fall benötigen 3D-Drucker Stützen, wenn Teile des Produkts herausragen, unabhängig vom Winkel oder der Neigung der vorherigen Schicht. Diese Träger können durch Nachbearbeitungsschritte wie Ultraschallbäder und Sand- oder Wasserstrahlen entfernt werden. Da die Verwendung von Trägern bei dieser Technologie die Endbearbeitung der Teile nicht beeinträchtigt, ist es nach der Nachbearbeitung wirklich schwierig zu erkennen, wo die Trägermaterialien verwendet wurden.
Arten von Stützen beim 3D-Druck
Obwohl die Stützstrukturen bei jeder Technologie eine ähnliche Funktion haben, gibt es je nach Konstruktion oder Zusammensetzung unterschiedliche Typen. In Bezug auf das Design sind die sogenannten Gitterträger am beliebtesten. Diese Strukturen werden häufig verwendet, um Säulen zu schaffen, die die Teile in Position halten, was bei Teilen mit steilen Überhängen sehr nützlich ist. Sie sind aufgrund ihrer einfachen und schnellen Herstellung sowie ihrer Kompatibilität mit den meisten Druckverfahren sehr beliebt. Der einzige Nachteil ist, dass sie in manchen Fällen schwer zu entfernen sind und sogar Spuren auf Teilen hinterlassen können.
Es gibt auch Baumstützen, die sich dadurch auszeichnen, dass sie mit „Stamm“-Strukturen beginnen und sich zu feinen Ästen entwickeln, wenn sie das gedruckte Modell erreichen. Dies ist sehr nützlich für die Abstützung ausgewählter Teile des Bauteils, die freitragend, aber nicht zu vertikal sind. Lineare Stützen sind ebenfalls weit verbreitet und ähneln in gewisser Weise den Baumstützen. Sie bestehen aus vertikalen Stützen, die mit dem gesamten freitragenden Teil oder der Brücke in Kontakt sind. Sie gewährleisten zwar einen korrekten Abdruck des Teils, sind aber schwieriger zu entfernen und können die Oberfläche des Modells beschädigen.
Links: eine Gitterstruktur. Rechts: Baumstützen.
Was schließlich das Material betrifft, so gibt es lösliche Träger. Diese Art von Strukturen können mit 3D-Druckern mit Doppelextrusion hergestellt werden und lassen sich durch Verdünnen in Wasser oder in einem Lösungsmittel mit komplexeren Komponenten entfernen. Zu den bekanntesten löslichen Materialien gehören PVA oder HIPS, aber es gibt auch fortschrittlichere, wie AquaSys 180 (entwickelt von Infinite Material Solutions), das mit Hochleistungsmaterialien kompatibel ist.
Wie kann man den Einsatz von Halterungen optimieren?
Bei der Verwendung des 3D-Drucks zur Herstellung von Teilen ist es wichtig, die Funktion der Stützen und die Vorteile zu verstehen, die sie für den Herstellungsprozess bieten. Neben den bereits erwähnten Vorteilen wie Gestaltungsfreiheit und Sicherheit der Endqualität der Modelle bringt die Verwendung dieser Strukturen auch eine Reihe von Nachteilen mit sich. Der erste betrifft die Entfernung dieser Stützen, da ohne eine angemessene Nachbehandlung die Ästhetik des Endprodukts beeinträchtigt werden könnte. Es ist zu erwähnen, dass die Spritzgusstechnik eine Ausnahme von dieser Regel darstellt.
Jedoch kann ein Design für bestimmte additive Fertigungstechnologien umso komplexer sein, je mehr Halterungen auf dem Slicer konfiguriert werden. Dies hängt eng mit dem offensichtlichen Materialaufwand zusammen, der für die Herstellung der Stützen erforderlich ist. Die für das Teil benötigte Materialmenge kann unter Berücksichtigung verschiedener Aspekte wie Ausrichtung und Genauigkeit sowie anderer Konstruktions- und Fertigungsfaktoren optimiert werden. Durch die richtige Einstellung dieser Parameter können wir nicht nur eine Reduzierung der Druckzeit und des Materials, sondern auch der Endkosten und der Durchlaufzeiten erreichen.
Bild: Lychee Slicer
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung von Stützen in der additiven Fertigung notwendig ist, wenn es sich um komplexe Teile oder Modelle mit vielen Überhängen handelt. Dennoch ist es wichtig, die Besonderheiten jeder Technologie zu kennen, um das Beste aus diesen Stützstrukturen herauszuholen und qualitativ hochwertige Endteile zu erhalten.
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*Titelbildnachweis: Hubs