Unterstützung

Konzeptionell hat das unterstützungsfreie Drucken viele Vorteile, weshalb es in der Branche nach wie vor ein Bestreben ist. Dies würde nicht nur bedeuten, dass im Nachhinein weniger Material verbraucht und verschwendet wird, sondern es bringt auch andere Produktivitäts- und Finanzvorteile mit sich. Die große Frage ist, ob es physikalisch möglich ist, völlig unterstützungsfrei in 3D zu drucken?

Bei der additiven Fertigung (AM) werden im Bauprozess üblicherweise Stützen verwendet, um die Struktur des zu erstellenden Teils zu verstärken und aufrechtzuerhalten. Dies ist aus verschiedenen Gründen erforderlich, abhängig von der Größe und Form des zu konstruierenden Teils. Beim stützenfreien Bauen hingegen geht es um die Entwicklung von Möglichkeiten, 3D-gedruckte Teile völlig unabhängig von Stützstrukturen herzustellen.

Bei der Verwendung werden die Stützen strategisch platziert, um Verformungen durch thermische Spannungen zu verhindern, die Wärmeübertragung weg vom geschmolzenen Material zu fördern und das formende Teil vor der Nachbeschichtungsklinge zu schützen, die bei Stößen zu einer Störung der Form des Teils führen kann. Sie können dem Teil während des Bauprozesses auch zusätzliche Steifigkeit verleihen, indem sie es beispielsweise an der Bauplatte befestigen, um es stabil zu halten.

Beim stützenfreien Drucken würden Stützen entfallen, sodass ein Teil vollständig freistehend konstruiert werden könnte und sofort nach Abschluss des Drucks einsatzbereit wäre.

Stützen fungieren im Wesentlichen als kleine, erhöhte Bauplattformen unter dem herzustellenden Teil. Diese verleihen dem Build zusätzliche Struktur. Unter bestimmten Umständen kann sich ein Teil ohne die richtige Unterstützung nicht vollständig formen. Dies ist am häufigsten bei überhängenden Abschnitten eines Teils der Fall oder wenn ein Teil ein durchgehendes Loch benötigt; Beide Szenarien werden nur so weit fortgeschritten sein, dass sie sich während des Build-Prozesses nicht mehr verankern können. Durch den Einsatz von Stützen können Teile mit schmaler Basis oder Lücken hergestellt werden.

Als allgemeine Regel gilt, dass Stützen für jeden Aspekt eines Aufbaus erforderlich sind, der weniger als 45° von der Bauplattform absteht – das bedeutet, dass für alle Teile, die sich in einem spitzen Winkel erheben, möglicherweise Stützungen im Aufbau berücksichtigt werden müssen.

Während die Konstruktion von Stützen während des AM-Prozesses für die Herstellung komplexerer und aufwendigerer Teile von Vorteil ist, bringt sie auch mehrere Nachteile mit sich. Diese beziehen sich hauptsächlich auf Druckzeiten, Materialien und Nachbearbeitung.

Druckzeiten —Jede der Stützen muss nach und nach mit jeder Schicht des Aufbaus gedruckt werden – auf die gleiche Weise, wie das Teil selbst Schicht für Schicht erstellt wird. Dies führt zu längeren Druckzeiten, die die Effizienz verringern und mehr Energie verbrauchen, was sich in mehrfacher Hinsicht auf die Baukosten auswirkt.

Materialverbrauch – Da Stützen genauso aufgebaut sind wie der Rest des Teils, müssen für ihre Herstellung überflüssige Materialien verwendet werden. Die Stützen werden in der Nachbearbeitung vom Endprodukt entfernt und als Abfallmaterial entsorgt, was sich auf Zeit und Kosten auswirkt.

Nachbearbeitung —Die meisten 3D-gedruckten Teile durchlaufen eine Nachbearbeitung, die aus mehreren Schritten bestehen kann, je nachdem, was erforderlich ist, um das Teil fertigzustellen und für den Einsatz geeignet zu machen. Dies kann eine Bearbeitung und Oberflächenbehandlung umfassen, um die Genauigkeit des Teils zu verbessern und die Oberflächenrauheit zu verringern, und eine Wärmebehandlung für verbesserte mechanische Eigenschaften sowie die Beseitigung thermischer Spannungen, die während des Bauprozesses entstehen. Oft ist eine abschließende Reinigungsstufe erforderlich, um überschüssiges Pulver zu entfernen.

Der Bau mit größeren und mehr Stützen erfordert einen längeren und intensiveren Nachbearbeitungsprozess. Dieser zeitaufwändige Prozess ist nicht nur manuell aufwändig, sondern auch mit zusätzlichen Kosten verbunden. Facharbeitszeit und die erforderlichen Werkzeuge tragen zum Endergebnis der Produktherstellung bei.

Es gibt auch Fälle, in denen einige Stützen nicht zugänglich sind und daher nicht entfernt werden können. Auch wenn diese die Funktion des Teils nicht beeinträchtigen, erhöhen sie das Gewicht und beeinträchtigen möglicherweise die Gesamtleistung des Teils. Im Fall der Präzisionstechnik könnte die Möglichkeit, ohne diese Stützen zu drucken, enorme Vorteile für die zukünftige Verwendung des Teils haben.

Durch die Umstellung auf unterstützungsfreien 3D-Druck kann der AM-Prozess wirtschaftlich, ökologisch und schnell verbessert werden. Da während des Aufbaus keine Stützen konstruiert werden müssen, schmilzt weniger Material im Pulverbett, was für AM mehrere Vorteile hat.

Es gibt drei wesentliche „Speed-Hack“-Vorteile, darunter:

Weniger Produktionszeit – Wenn die Laser im Drucker im Verlauf des Aufbaus nicht ständig Schichten auf die Träger auftragen müssen, verkürzt sich die Druckzeit. Während dies für jede einzelne Schicht des Aufbaus eine kleine Zeitersparnis mit sich bringt, summiert sich dies im Laufe eines kompletten Aufbaus zu einer deutlichen Verkürzung der Zeit, die für die Fertigstellung der Produktion eines Teils benötigt wird. Auf die Großserienfertigung übertragen, ermöglicht dies Unternehmen, die Produktionszeiten noch weiter zu verkürzen.

Nachbearbeitungsressourcen —Wenn Stützen von vornherein nicht vorhanden wären, würde deren Entfernung in der Nachbearbeitungsphase vollständig entfallen, was sich erheblich auf die Durchlaufzeiten auswirken würde. Ein großer Teil der Zeit, die in der Nachbearbeitung aufgewendet wird, konzentriert sich auf die Entfernung von Stützstrukturen. Da sie mit dem Endprodukt verbunden sind, müssen sie maschinell bearbeitet oder abgeschliffen und die Oberfläche behandelt werden, bis sie perfekt mit der restlichen Oberfläche des Teils übereinstimmt.

Dies erfordert spezielle Fähigkeiten und Werkzeuge, die Unternehmen Zeit und Geld kosten. Im Extremfall kann ein einminütiger Verarbeitungsschritt während des Builds die Durchlaufzeit um einen ganzen Tag verlängern. Ein unterstützungsfreier Aufbau würde die Notwendigkeit solch intensiver Nachbearbeitungsanpassungen überflüssig machen und es deutlich schneller und kostengünstiger machen, ein Teil fertigzustellen. Ohne dass die angebrachten Stützen entfernt werden müssen, weist das gedruckte Teil sofort eine bessere und gleichmäßigere Oberflächenbeschaffenheit auf.

Verbrauchen Sie weniger Material —Im Hinblick auf Nachhaltigkeit und verantwortungsvolle Herstellung ist es klar, dass der Verzicht auf Stützen (oder sogar deren Reduzierung in Größe und Anzahl) dazu führt, dass weniger Material verbraucht wird. Dies führt zu weniger Materialverschwendung und geringerem Energieaufwand, wodurch sowohl die finanziellen als auch die Umweltkosten des 3D-Drucks gesenkt werden. Außerdem wird die Gesamtzeit sowohl des ersten Druckvorgangs als auch der Nachbearbeitung bis zur Fertigstellung des Teils verkürzt, was zu mehr Effizienz und Einfachheit führt.

Die Realität ist, dass eine 100 % unterstützungsfreie AM derzeit nicht für jede Anwendung oder Geometrie möglich ist. Das heißt jedoch nicht, dass dies möglicherweise nicht in der Zukunft der Fall sein könnte. Bei EOS Additive Minds haben wir kürzlich einige unglaubliche Fortschritte gemacht, um dem Endziel des unterstützungsfreien Druckens näher zu kommen.

Die wahrscheinlich nachhaltigste Einschränkung von Metall-AM besteht darin, dass man unterhalb eines bestimmten Überhangwinkels ohne Stützen nicht drucken kann. Ohne Stützen besteht die Gefahr, dass sich der Überhang aufgrund der Restspannungen, die durch die Einwirkung der fokussierten Energie der Laser während des Drucks entstehen, verzieht. Dies schränkt Anwender von Metall-AM-Systemen häufig in ihrer Anwendungsauswahl ein.

Dank des innovativen Denkens von Branchenführern wird der kritische 45°-Winkel nun in Frage gestellt und in Frage gestellt. Mittlerweile sind viele Software- und Parameterpakete verfügbar, die es Benutzern ermöglichen, Überhänge und Brücken in viel geringeren Winkeln zu drucken, ohne die Effektivität des 3D-Druckprozesses und die Qualität der hergestellten Metallteile zu beeinträchtigen.

Betrachten Sie einen aktuellen Fall mit ummantelten Laufrädern, bei dem eine unterstützungsfreie Konstruktion erreicht wurde, obwohl die Grenzen der Überhangwinkel auf beeindruckende 10° angehoben wurden. Bei diesem Projekt wurden auch interne Stützen vollständig eliminiert, was die Nachbearbeitung erheblich vereinfacht. Ungünstig platzierte Stützen innerhalb eines Teils können zu den schwierigsten Entfernungen gehören, auch wenn sie nicht die größten sind. Durch diese Reduzierung der Größe und Anzahl der Halterungen konnten die Gesamtproduktionskosten für die Laufräder um 35 % gesenkt werden.

Das Prozessentwicklungsteam hat die Erkenntnisse aus maßgeschneiderten Spezialprojekten wie diesem auf die Standardprozesse übertragen, die für „Plug-and-Play“-3D-Drucksoftware verfügbar sind. Damit können Sie nun auch ohne fachkundigen Berater die Winkelgrenzen standardmäßig auf 20° reduzieren.

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