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VELO3D – Die Vorteile der stützenfreien additiven Fertigung bei Metalll

Auf 26. Februar 2020 von Sandra S. veröffentlicht

Auch heute wird die additive Metallherstellung noch überwiegend zur Herstellung von Prototypen, Werkzeugkomponenten und Ersatzteilen eingesetzt. Nach und nach wird diese auch für die Produktion selbst eingesetzt. In einer von SmarTech Analysis veröffentlichten Studie prognostizierte das Unternehmen, dass die additive Fertigung von Metallkomponenten im kommenden Jahrzehnt einen Wert von 228 Milliarden Dollar erzielen wird. Einer der Hauptvorteile der additiven Metallherstellung besteht darin, dass Designer Teile mit einem neuen Grad an Designfreiheit modellieren können.

Aber wie viel Designfreiheit besteht bei der  additiven Fertigung von Metall wirklich? Diese Frage kommt auf, weil bei der Laserschmelztechnik im Gegensatz zu SLS die Metallteile durch Stützstrukturen an der Konstruktionsplatte befestigt sind. Diese Unterstützung bringt erhebliche Einschränkungen was das Design und die Fertigung betrifft, mit sich. Die Stützstrukturen werden aus dem gleichen Material wie das Teil selbst gedruckt und sind zur Vermeidung von Verformungen, die durch hohen einwirkenden Verarbeitungstemperaturen entstehen, unerlässlich. Der Anbieter von additiven Metallfertigungslösungen, VELO3D, hat eine stützenfreie Lösung entwickelt, die die Produktionsdauer, Kosten und Qualität der gedruckten Metallteile optimieren soll.
Tatsächlich hat das Unternehmen es ermöglicht, Teile herzustellen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht herstellbar sind.

Herkömmliche Drucker für Metall benötigen Winkel unter 45 Grad, um Stützstrukturen zu schaffen. Wenn der Winkel abnimmt, wird die nach unten gerichtete Oberfläche porös und das gedruckte Teil geht kaputt (Bildnachweis: Protolabs

VELO3D hat eine stützenfreie 3D-Drucktechnologie für Metall entwickelt

Nach Schätzungen von Protolabs sind bei 95% der additiv hergestellten Metallteile Stützstrukturen erforderlich. Im Grunde genommen sind diese für alle Winkel unter 45 Grad erforderlich. Unter 45 Grad bieten sie eine geeignete Basis für die nächste Schicht, auf der geschichtet werden soll, sie verankern das Teil auf der Bauplatte, verhindern Verformungen und helfen auch, Wärme abzuleiten, so dass das Teil mit einer geregelten Geschwindigkeit abkühlen kann. Wenn sie nicht verwendet werden, wird die nach unten gerichtete Oberfläche mit abnehmendem Winkel zunehmend poröser, und das Teil misslingt, falls der Winkel zu stark reduziert wird.

Die free-floating-Technologie von VELO3D ermöglicht es, großen Einfluss auf die möglichen Varietäten an Teilen zu nehmen, die produziert werden können. Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit sind schwer zu kontrollieren, sobald die Stützen manuell entfernen müssen, bevor  weitere Nachbearbeitungsschritte eingeleitet werden, um die gewünschte Qualität zu erreichen. Da es sich um einen manuellen Prozess handelt, ist die Ausschussquote höher als bei einem Prozess, der auf diese Schritte verzichten kann. Michael Corliss, VP Technologie bei Knust-Godwin, der die VELO3D-Technologie verwendet, erklärt: „Die Verwendung von stützenfreiem Drucken reduziert das menschliche Zutun. Das Entfernen der Stütze ist ein solch manueller Eingriff, der sehr, sehr schwer zu kontrollieren ist“.

Eine Metallkonstruktion vor dem Entfernen der Stütze. Die Stützen sind aus dem gleichen Material wie das Teil hergestellt und benötigen eine CNC-Bearbeitung, um entfernt zu werden (Bildnachweis: Concept Laser)

Häufig sind Stützstrukturen die Ursache von Produktionsproblemen wie Konstruktionsfehler und schlechte Produktqualität. Um diese Probleme zu vermeiden, muss die Konstruktion eines Teils unter Umständen mehrfach überarbeitet werden. Die positiven Auswirkungen des Wegfalls von Stützstrukturen sind bei Teilen mit inneren Hohlräumen oder Aussparungen am größten. David Bentley, Senior Manufacturing Engineer für 3D gedruckte Metalle bei Protolabs hat die VELO3D Technologie verwendet und verdeutlicht, dass die problematischsten Teile „alle Teile mit Öffnungen, Aussparungen und gekrümmten Strukturen zwischen diesen Zugängen“ sind.

Bei Betrachtung eines Laufrads sind die Stützstrukturen beispielsweise sehr schwer zu entfernen und erfordern einige CNC-Bearbeitungsschritte. Trotz der hohen Nachfrage für diese Produkttypen, war es schwierig, sie zu befriedigen, da die Stützstruktur eine große Herausforderung darstellt. Andere Beispiele für Produke oder deren Komponenten, bei denen häufig auf Stützstrukturen zurückgegriffen wird, sind Verteiler, Wärmetauscher und angepasste Kühlkammern. Teile wie diese veranschaulichen die Grenzen der herkömmlichen additiven Fertigung mit Metall.

Die von VELO3D entwickelte free-floating-Technologie besteht darin, eine Lösung für diese Probleme zu finden und die Kosten, Durchlaufzeiten und Designbeschränkungen zu reduzieren, die mit dem Hinzufügen von Stützstrukturen verbunden sind. Wie der Name schon sagt, werden die Teile freischwebend in Pulverform gedruckt, was bedeutet, dass mehr Teile auf der gleichen Konstruktionsplatte gedruckt werden können, da sie nicht an dieser befestigt sind. Im Falle von Hochdruckturbinenschaufeln stellt der Hersteller sicher, dass bis zu 441 Teile pro Fertigung gebaut werden können, im Vergleich zu 85 Teilen pro Fertigung bei anderen Systemen. Zusätzlich werden die Nachbearbeitungsschritte stark reduziert. Das Unternehmen bietet eine End-to-End-Lösung für additive Fertigung mit Metall an, die sein 3D-Drucksystem Sapphire umfasst, das zusammen mit seiner Flow-Software und dem Qualitätssicherungs- und Kontrollsystem Assure arbeitet.
Um zu erfahren, was andere Experten im Bereich der additiven Fertigung bei Metall über die unternehmerischen Vorteile eines stützenfreien Verfahrens zu sagen haben, können Sie das von Todd Grimm verfasste Whitepaper HIER herunterladen.

Zu den Referenten gehören Protolabs, Incodema3D, Stratasys Direct, Knust-Godwin, Interstellar und Hanwha.

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