Der 3D Metalldruck ist zu einem wichtigen Zweig der additiven Fertigung geworden. Insbesondere das Laserschmelzen von Metall im SLM-Verfahren ermöglicht die schnelle, wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen aus Aluminium, Edelstahl, Werkzeugstahl, Inconel, Titan, Kupfer und vielen anderen metallischen Werkstoffen. Im Folgenden erfahren Sie, was es bei der Konstruktion zu beachten gilt.
Inhalt:
Beim Selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM) wird das pulverförmige, metallische Ausgangsmaterial an den Bearbeitungspunkten durch die Wärme-Energie eines Hochleistungslasers aufgeschmolzen. Schicht für Schicht entstehen so Bauteile, die die spezifischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials weitestgehend beibehalten, eine Dichte von 99,9 % bieten und sich durch eine besondere Festigkeit auszeichnen.
Eine einzigartige, feine Mikrostruktur der 3D-gedruckten Metall-Werkstücke und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften sind kennzeichnend für den SLM 3D-Druck. Damit die Bauteile zu einem vollen Erfolg werden, sind bei der Konstruktion einige Richtlinien zu beachten.
Selektives Laserschmelzen bietet bei der Bearbeitung von Metallen zahlreiche Vorteile, die durch eine angepasste Konstruktion voll ausgeschöpft werden können. Vor allem die Herstellung interner, komplexer Konturen – beispielsweise innenliegende Kühlkanäle – oder die Kombination von Baugruppen zu einem Bauteil wird durch den 3D Druck erst möglich und ist mit konventionellen Bearbeitungsstrategien für Fräsen oder Drehen nicht zu realisieren.
Im Leichtbau, für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie bringt SLM neben einer deutlichen Gewichtsreduzierung auch eine verbesserte Funktionalität der Produkte mit sich. Insbesondere „organische“ Strukturen nach dem Vorbild der Natur ermöglichen komplett neue Konstruktionsansätze. Zudem können die Bauteile rasch produziert werden, direkt aus dem CAD Modell und können jederzeit einfach angepasst oder verändert werden
Damit Sie von der erhöhten Wertschöpfung durch den 3D-Druck profitieren, ist eine Sache unbedingt zu verinnerlichen: Das Design der Komponenten darf sich nicht an der subtraktiven, konventionellen Fertigung orientieren! Vielmehr muss das Design für die additive Fertigung im Fokus stehen!
Bevorzugen Sie topologisch optimierte Formen oder Freiformflächen und verzichten Sie auf konvergierendes Design, auf gerade Ecken und flache Überhänge. Setzen Sie vielmehr auf Bögen, Ausrundungen und Abschrägungen und ein divergierendes Design. Durch die Vermeidung von großen Flächenänderungen zwischen den einzelnen Schichten unterstützen Sie bereits bei der Konstruktion die rentable, schnelle additive Fertigung. Denken Sie immer daran: Mit einer Verkleinerung der Fläche verringern Sie das Volumen des zu druckenden Körpers! Der Schwerpunkt ihrer Konstruktion muss auf der Funktionalität des Bauteils liegen – und soll nicht von der Herstellbarkeit abhängen, wie das bei der konventionellen Fertigung oft der Fall ist.
Beim 3D-Metalldruck sind die Winkel der Bauteile bei der Konstruktion besonders zu berücksichtigen. Bei zu flach konstruierten Winkeln unter 45° - die zu nach unten gerichteten Oberflächen führen – sackt die geschmolzene Schicht durch das darunter liegende, lose Pulver. Das führt zur Bildung von Schlacken und beeinträchtigt die Oberflächenqualität deutlich.
Weiterhin erfordern flache Winkel den Einsatz von Stützstrukturen. Gestützte Flächen sind drucktechnisch bedingt immer von schlechterer Qualität und sind für hohe Oberflächengüten bestmöglich zu vermeiden. Konstruieren Sie ihre Bauteile daher mit steilen Winkeln größer als 45°, um Schlackenbildung zu vermeiden und mit möglichst wenig Stützstrukturen auszukommen.
Stützstrukturen, auch als Supports bezeichnet, bringen Konstrukteure bei der Auslegung von zu druckenden Bauteilen in einen echten Zwiespalt. Denn einerseits verhindern Stützstrukturen die Verformung der Bauteile beim 3D-Druck und minimieren die Schrumpflinie, andererseits leidet die Oberflächenqualität der Bauteile an den Flächen, an denen Stützstrukturen angebracht werden. Nicht zuletzt führen Stützstrukturen zwangsläufig immer zu Nacharbeiten – denn die Supports müssen nach erfolgtem Druck schließlich auch wieder entfernt werden.
Für eine allgemein hohe Qualität Ihrer Bauteile gilt: Je weniger Stützstrukturen, desto besser. Was genau ohne Stützstrukturen gebaut werden kann, ist dabei auch immer materialabhängig:
Bei Stahl, Edelstahl, Inconel:
Bei Titan, Aluminium:
Generell sind bei der Konstruktion folgende Richtlinien zu beachten, wenn Sie möglichst ohne Stützstrukturen drucken möchten:
In vielen Fällen können Sie Stützstrukturen durch ein angepasstes Design vermeiden. Verzichten Sie bei der Konstruktion auf nach unten gerichtete Flächen. So erreichen Sie eine selbsttragende Geometrie. Fragen Sie sich bei der Konstruktion immer, wo gestützt werden muss und ob dieser Support nach erfolgtem 3D-Druck auch wieder entfernt werden kann! Wenn Sie Freiformstrukturen nutzen, wird generell weniger Stützstruktur benötigt. Mit weichen Übergängen durch den Einsatz von Radien etc. erzeugen Sie zusätzlich noch eine bessere Qualität der Bauteile.
Beim Selektiven Laserschmelzen entstehen teils immens hohe Schmelztemperaturen, die bei Titan bei 1650° C und bei Edelstahl bei immer noch bei 1200° C liegen. In Kombination mit schnellen Abkühlraten (unter 1ms für – 100° C) kommt es zu werkstoffspezifischen Spannungen im Material. Die Spannungen sammeln sich dabei über alle gedruckten Schichten an, da bei jedem Druckvorgang die darunter liegenden Schichten auch wieder erwärmt und abgekühlt werden. Die negativen thermischen Einflüsse lassen sich direkt in der Konstruktion mindern:
Falls die Ausrichtung im Bauraum für Ihr Projekt wichtig ist, stellen Sie eine „individuelle Anfrage“ und geben Sie diese Informationen mit. Der Print Partner wird dies bei der Produktion beachten.
Wenn sich thermische Spannungen nicht vermeiden lassen, wird mit konstruktiven Maßnahmen Abhilfe geschaffen. Häufig werden zum Ausgleich von thermischen Spannungen Stützstrukturen eingesetzt, um das Bauteil in Form zu halten. Allerdings verbleiben die Spannungen bei diesem Vorgehen im Bauteil – wird die Stützstruktur entfernt, verzieht sich das Bauteil. Abhilfe schaffen lässt sich durch eine Wärmebehandlung, während das Bauteil noch auf der Bauplattform steht. Dies wird vom Print Partner entsprechend umgesetzt.
Achten Sie bei der Konstruktion auch unbedingt auf die Schrumpfungslinien. Mit einfachen Anpassungen der Konstruktion wirken Sie unerwünschten Schrumpfungen der Bauteile entgegen. Siehe Skizze: Form links im Bild vermeiden, wenn die Form notwendig ist, dann mit Rundungen arbeiten (Bild Mitte), oder die Form "auf den Kopf" stellen für den Druck (rechts auf dem Bild).
Im 3D Metalldruck entsprechen die Toleranzen nicht der konventionellen Fertigung. Mögliche Toleranzen beim SLM sind nach ISO 2768 der Klasse „M“ zuzuordnen. Je nach Form und Kontur können die Toleranzen noch weiter abweichen und im Bereich von ± 0,4% oder auch ± 0,3% liegen. Für sehr exakte Bauteilseiten muss unter Umständen daher mit Nachbearbeitungen, beispielsweise durch Fräsen, verfeinert werden.
Gerne ermöglichen wir Ihnen den individuellen Druck von Metallbauteilen. Wichtig ist, dass wir alle wichtigen Angaben erhalten, damit die Print Factory das Bauteil gemäss Ihren Wünschen herstellen kann. Das 3D-Druckfile ist dabei entscheidend für die Produktion. Sollten in den Druckdaten nicht alle Anweisungen vorhanden sein, oder es handelt sich um ein komplexes Projekt, dann erfassen Sie bitt eine «individuelle Anfrage». Geben Sie uns bei der Anfrage bitte alle wichtigen Details rund um Ihre Konstruktion mit auf den Weg.
Ebenfalls können Sie uns gerne Hinweise zur Ausrichtung des Bauteils im Bauraum, gewünschte Nachbearbeitungen oder Stellen, an denen Toleranzen ganz exakt eingehalten werden müssen, mitteilen.
Für weitere Fragen können Sie sich jederzeit bei einem unserer Solution Partner beraten lassen.
Wir freuen uns bereits auf Ihre Anfrage!
Ihre Jellypipe
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