Materialise Magics Print Suite: Gut ausgerichtet

Dr. Ingo Uckelmann, Technischer Leiter des 3D-Metalldruckwerks von Materialise in Bremen.

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Dr. Ingo Uckelmann ist Technischer Leiter des 3D-Metalldruckwerks von Materialise in Bremen.

Einer der zentralen Aspekte, mit der sich Anwender beim 3D-Metalldruck befassen müssen, ist die Ausrichtung eines Bauteil. Für einen vollständigen und verzugsfreien Build in hoher Qualität ist es entscheidend, dass beim Drucken keine großen Temperaturunterschiede zwischen der neu aufzubauenden Schicht und der vorherigen Schicht bestehen. Nur dann können die Schichten eine starke Verbindung eingehen. Erreicht wird dies, indem die zu druckende Oberfläche in jeder Schicht begrenzt wird. Dadurch dauert der Sinterprozess pro Schicht nicht zu lange und das unter der neuen Schicht liegende Metall ist noch heiß genug.

Anwender, die vor allem den Bedarf an Supports, Material und Nachbearbeitung senken möchten, können Bauteile auch so ausrichten, dass einige Bereiche selbstragend sind oder zumindest weniger Stützstrukturen benötigen. Da dies auf Kosten der Bauteilqualität gehen kann, sollte aber auch hier die Fläche je Schicht in die Planung miteinbezogen werden. In vielen Fällen ist es ideal, einerseits die jeweils zu sinternde Flächen zu begrenze, andererseits Bereiche mit weniger Stützbedarf zu schaffen.

Gut geplante Supports erleichtern die spätere Abtrennung von der Bauplattform und sparen wertvolles Material.

Prozessstabilität durch optimale Support-Gestaltung

In der additiven Metallfertigung ist die Stützstruktur von wesentlicher Bedeutung für die Prozessstabilität und die Qualität eines Bauteils in Bezug auf Maße und Oberflächen. Aufgrund der zahlreichen Faktoren, die es bei ihrer Gestaltung zu beachten gilt, ist ihre Planung jedoch häufig schwierig und erfordert viel Erfahrung und Zeit.

Ein erster, auf der Hand liegender Faktor bei der Support-Generierung ist, wie stabil und sicher die Stützen das Bauteil im Bauraum fixieren. Eine gute Fixierung ist nötig, da das Recoater-System einer Pulverbettmaschine das Teil und seine Supports während des Fertigungsprozesses erheblich beeinträchtigen kann. Das kann zu einer Verschiebung des Bauteils oder zu einer Kollision mit Schäden am Teil und sogar am Recoater-Mechanismus führen.

Ein weiterer entscheidender Aspekt hinsichtlich der Support-Gestaltung ist ihre Fähigkeit, Wärme gut abzuleiten. Wird Wärme nicht vollständig auf die Bauplattform umgeleitet, können thermische Spannungen zu Verformungen des gesamten Bauteils (Warping) führen. Auch lokale Verformungen sind möglich, etwa die Beeinträchtigung der geometrischen Genauigkeit von Löchern oder das Auftreten von Schrumpfungslinien.

Solide Stützkonstruktionen wie Volumen-, Kegel- und Baumsupports wirken Verformungen entgegen, indem sie das Teil nicht nur fest auf der Bauplattform verankern, sondern einen Großteil der Wärme effizient vom Bauteil zur Bauplattform leiten. Um Wärme lokal abzuleiten und lokale Verformungen zu verhindern, empfehlen sich dagegen nicht-solide Strukturen wie zum Beispiel Linien- und Blocksupports. Ebenso kann eine entsprechende Ausrichtung des Teils helfen. Dazu wird es genau dort gestützt, wo zwei Zonen innerhalb derselben Bauschicht verschmelzen und eine Schrumpfungslinie entstehen würde. Eine weitere Möglichkeit sind kleine, am Bauteil angebrachte Zähne als Ansatzpunkt für die Supports. Sie leiten ebenfalls Wärme ab und verhindern Ablagerungen.

Anbindung von Stützen innerhalb eines Rohres mit und ohne abgwinkelte Supports in Materialise Magics .

Leichte, rückstandsfreie Support-Entfernung

Um die Zeit und die Kosten für die Nachbearbeitung zu minimieren, sollte in die Planung von Supports auch einfließen, dass sie möglichst leicht und rückstandslos zu entfernen sind. Hierbei hilft unter anderem eine intelligente Platzierung der Stützen. Sollten sie mit einem Teil in zwei verschiedenen Bereichen verbunden sein, zum Beispiel innerhalb eines Rohres, können Anwender abgewinkelte Supports nutzen. Dadurch lassen sich die Supports so vom Bauteil zur Bauplattform führen, dass unnötige Kontaktstellen vermieden werden.

Ist die Verbindung mit einem Bereich eines Bauteils nicht zu vermeiden, ist es eine Alternative, die Supports zu einem Bereich zu führen, der leichter zu bearbeiten ist – beispielsweise eine ebene Oberfläche anstelle einer gekrümmten. Um den Bereich, der nachbearbeitet werden muss, zu begrenzen, lässt sich oft auch die Breite der Stützstrukturen verkleinern.

Außer auf eine intelligente Platzierung der Supports können sich Anwender auch auf Formen konzentrieren, die sich leicht entfernen lassen. Dazu können sie zum Beispiel feine Zähne an der Oberseite ihrer Stütze platzieren oder vordefinierte Abbruchpunkte setzen. Solche Punkte haben die Form einer Sanduhr und brechen in der Mitte ab. Dadurch wird nicht nur das Entfernen vereinfacht, sondern auch eine Beschädigung des Bauteils beim Abbrechen der Supports (Lochfraßbildung) verhindert.

Supports lassen sich außerdem ohne Beeinträchtigung der Oberflächenqualität entfernen, indem in den Bereichen, die eine Stützstruktur benötigen, etwas zusätzliches Material hinzugefügt wird. Die Bereiche können dann gefräst werden, um die gewünschte Endform zu erhalten.

Außer vom Bauteil müssen Supports meist auch von der Bauplatte entfernt werden. Hier ist es eine gängige Strategie, einen Abstand zwischen verschiedenen Stützblöcken zu schaffen. Diese Fragmente lassen sich leichter entfernen, da sie weniger Widerstand zeigen.

Minimale Materialverschwendung

Da Metallpulver für die additive Fertigung sehr teuer ist, ist es sinnvoll, bei der Planung von Stützstrukturen immer auch den Materialverbrauch im Blick zu haben. Dies gilt umso mehr, weil solide Supports hinsichtlich Stabilität und Wärmeableitung meist erste Wahl sind. Ebenso sollte es ein Ziel sein, das nicht benötigte Metallpulver möglichst vollständig zurückgewinnen zu können – aus Sicherheits- und Verschmutzungsgründen am besten in einer kontrollierten Atmosphäre und bevor die Stützkonstruktionen entfernt werden.

Aus Sicht des geringeren Materialbedarfs ist es unabdingbar, Stützstrukturen so fein und wenig voluminös zu wählen, wie es ohne den Erfolg des Build-Prozesses und die Qualität des Bauteils zu gefährden möglich ist. Um ein Maximum an Pulver zurückzugewinnen, helfen Perforationen und Fragmentierungen. Sie verhindern, dass Pulver innerhalb von Stützstrukturen so eingeschlossen wird, dass es nicht mehr durch leichtes Schütteln oder Klopfen innerhalb des Bauraums herausgelöst werden kann.

Offene Supportstrukturen wie von Materialise e-Stage for Metal erleichtern die Pulverrückgewinnung.

Hilfreiche Software

Die zahlreichen, bei Ausrichtung und Support-Generierung zu berücksichtigenden Faktoren lassen erahnen, wieviel Erfahrung und Zeit allein schon für die Planung dieser grundsätzlichen Aspekte nötig sind. Selbst hocherfahrene Anwender, die sich vergleichsweise viel Zeit nehmen und sehr sorgfältig arbeiten, laufen dabei Gefahr, Kleinigkeiten zu übersehen und Fehlentscheidungen zu treffen, die entweder zu suboptimalen Ergebnissen führen oder die zeit- und kostenintensiv auszubügeln sind. Zudem treibt der hohe Zeitaufwand die Kosten bei additiven Fertigungsprojekten in die Höhe und lässt an der Wirtschaftlichkeit mancher an sich vorteilhafter 3D-Drucklösungen zweifeln.

Unternehmen sollten daher darüber nachdenken, ob sie nicht nur bei der Konstruktion und der Datenaufbereitung auf Software setzen sollten, sondern auch bei der Planung von Ausrichtung und Supports. Materialise hält im Rahmen seiner 3D Magics Print Suite eine ganze Reihe hilfreicher Werkzeuge bereit, die bei der Entscheidungsfindung helfen oder Planungsprozesse sogar vollautomatisch übernehmen. Mit diesen Werkzeugen wird der 3D-Druck noch attraktiver und es sind in deutlich kürzerer Zeit bessere Ergebnisse zu erzielen. Und last but not least können Ingenieure ihre kostbare Zeit damit für kreativere Dinge nutzen als für die Planung von Ausrichtung und Stützstrukturen.

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