Die Realitäten und Vorteile des unterstützungsfreien 3D-Drucks von Metall

10. Oktober 2022 | Lesezeit: 4 min

Der unterstützungsfreie 3D-Metalldruck ist ein attraktives Angebot. Aber was bedeutet er wirklich und warum ist er so attraktiv? Erfahren Sie, was unterstützungsfreier Druck ist, ob er tatsächlich möglich ist und welche Vorteile er bringen kann.

Was bedeutet "ohne Unterstützung"?

In der additiven Fertigung (AM) bezieht sich der Begriff "support-free building" auf die Entwicklung von Verfahren zur Herstellung von 3D-gedruckten Teilen, die völlig unabhängig von Stützstrukturen sind. Stützkonstruktionen werden in der Regel während des Bauprozesses verwendet, um die Struktur des zu erstellenden Teils zu verstärken und zu erhalten. Dies ist aus verschiedenen Gründen notwendig, je nach Größe und Form des zu erstellenden Teils.

Die Stützen werden strategisch platziert, um eine Verformung durch thermische Spannungen zu verhindern, die Wärmeübertragung vom geschmolzenen Material weg zu fördern und das Formteil vor der Klinge des Wiederbeschichtungsgeräts zu schützen, die bei einem Aufprall zu einer Störung der Form des Teils führen kann. Außerdem können sie dem Teil während des Bauprozesses zusätzliche Steifigkeit verleihen, indem sie es beispielsweise an der Bauplatte befestigen, um es stabil zu halten.

Um Schichten des additiven Materials in der richtigen Form aufzubauen, wird ein Teil des Pulvers verwendet, um Stützen zu erzeugen, die hervorstehende Elemente des zu druckenden Teils halten. Die Idee des stützenfreien Druckens würde diese Stützen überflüssig machen, so dass ein Teil völlig freistehend konstruiert werden könnte und sofort nach Abschluss des Drucks einsatzbereit wäre.

Das Konzept des stützenfreien Drucks hat viele Vorteile, weshalb es in der Branche weiterhin angestrebt wird. Es würde nicht nur bedeuten, dass bei der Herstellung weniger Material verbraucht wird, sondern es hat auch noch andere Vorteile. Die große Frage ist also: Ist es physisch möglich, völlig stützenfrei 3D zu drucken?
 

Vor- und Nachteile des 3D-Drucks mit Stützen

Stützen dienen im Wesentlichen als kleine erhöhte Bauplattformen unter dem zu fertigenden Teil. Sie geben dem Bauteil zusätzliche Struktur. Unter bestimmten Umständen kann ein Teil ohne die richtige Unterstützung nicht vollständig geformt werden. Dies ist am häufigsten bei überhängenden Abschnitten eines Teils der Fall oder wenn ein Teil eine Bohrung benötigt, die durch das ganze Teil hindurchgeht; in beiden Fällen kann das Teil nur bis zu einem bestimmten Punkt weiterverarbeitet werden, bevor es sich während des Bauprozesses nicht mehr selbst verankern kann. Die Verwendung von Stützen ermöglicht die Herstellung von Teilen mit einer schmalen Basis oder Lücken. In der Regel sind Stützen für alle Teile erforderlich, die sich in einem Winkel von weniger als 45 Grad von der Bauplattform aus erstrecken - das bedeutet, dass für alle Teile, die sich in einem spitzen Winkel erheben, Stützen in den Bauprozess einbezogen werden müssen.

Die Konstruktion von Stützen während des AM-Prozesses ist zwar für die Herstellung komplexer und aufwändiger Teile von Vorteil, hat aber auch einige Nachteile. Diese betreffen hauptsächlich die Materialien, die Druckzeiten und die Nachbearbeitung.

Nachteil Nr. 1 - Druckzeiten

Jeder der Träger muss mit jeder Schicht des Aufbaus nach und nach gedruckt werden, so wie auch das Teil selbst Schicht für Schicht erstellt wird. Dies führt zu längeren Druckzeiten, die die Effizienz verringern und mehr Energie verbrauchen, was sich in mehr als einer Hinsicht auf die Kosten der Bauprozesse auswirkt.

Nachteil Nr. 2 - Materialverbrauch

Da die Stützen auf die gleiche Weise konstruiert werden wie der Rest des zu fertigenden Teils, bedeutet dies, dass zu ihrer Herstellung überflüssige Materialien verwendet werden. Die Stützen werden in der Nachbearbeitung aus dem Endprodukt entfernt und als Abfallmaterial entsorgt, was Zeit und Kosten verursacht.

Nachteil Nr. 3 - Nachbearbeitung

Die meisten 3D-gedruckten Teile durchlaufen eine Nachbearbeitungsphase, die aus mehreren Schritten bestehen kann, je nachdem, was erforderlich ist, um das Teil fertig zu stellen und es für die Verwendung geeignet zu machen. Dies kann eine maschinelle Bearbeitung und eine Oberflächenbehandlung umfassen, um die Toleranz des Teils zu verbessern und die Oberflächenrauheit zu verringern, sowie eine Wärmebehandlung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und zur Beseitigung der während des Bauprozesses entstandenen thermischen Spannungen. Ein abschließender Reinigungsschritt ist oft erforderlich, um überschüssiges Pulver zu entfernen. Das Bauen mit größeren und mehr Trägern erfordert einen längeren und intensiveren Nachbearbeitungsprozess, als wenn die Anzahl oder Größe der Träger reduziert werden könnte. Dieser zeitaufwändige Prozess ist nicht nur manuell anspruchsvoll, sondern auch mit zusätzlichen Kosten verbunden. Die Arbeitszeit der Spezialisten und die erforderlichen Werkzeuge erhöhen die Kosten für die Produktherstellung.

Es gibt auch Fälle, in denen einige Stützen unzugänglich sind und daher nicht entfernt werden können. Diese verhindern zwar nicht, dass das Teil funktioniert, aber sie erhöhen das Gewicht und beeinträchtigen möglicherweise die Gesamtleistung des Teils. Im Falle der Feinmechanik könnte die Möglichkeit, ohne diese Stützen zu drucken, durchschlagende Vorteile für die zukünftige Verwendung des Teils haben.

Die Vorteile des stützenfreien Bauens

Durch die Umstellung auf den stützenfreien 3D-Druck kann das AM-Verfahren in wirtschaftlicher, ökologischer und zeitlicher Hinsicht verbessert werden. Der Verzicht auf die Konstruktion von Stützen während des Aufbaus bedeutet, dass weniger Material im Pulverbett geschmolzen wird, was für AM mehrere Vorteile hat.

Fertigungsgeschwindigkeit Hack #1: Verkürzung der Produktionszeit

Wenn die Laser im Drucker nicht ständig Schichten zu den Trägern hinzufügen müssen, während der Aufbau fortschreitet, wird die Druckzeit verkürzt. Während dies für jede einzelne Schicht des Aufbaus eine kleine Zeitersparnis bedeutet, summiert es sich im Laufe eines kompletten Aufbaus zu einer erheblichen Reduzierung der Zeit, die für die Herstellung eines Teils benötigt wird. Auf die Fertigung in großem Maßstab angewandt, ermöglicht dies den Unternehmen, die Produktionszeiten um ein noch größeres Maß zu verkürzen.

Fertigungsgeschwindigkeit Hack #2: Sparen Sie Nachbearbeitungsressourcen 

Der Verzicht auf Stützen würde bedeuten, dass deren Entfernung in der Nachbearbeitungsphase vollständig entfällt, was sich oft erheblich auf die Durchlaufzeiten auswirkt. Ein großer Teil des Zeitaufwands in der Nachbearbeitung entfällt auf die Entfernung von Trägern. Da sie mit dem Endprodukt verbunden sind, müssen sie entfernt und die Oberfläche so behandelt werden, dass sie perfekt mit der restlichen Oberfläche des Teils übereinstimmt. Dies erfordert spezielle Fähigkeiten und Werkzeuge, die die Unternehmen Geld und Zeit kosten. Im Extremfall kann ein einminütiger Bearbeitungsschritt während der Herstellung zu einer Verlängerung der Durchlaufzeit um einen Tag führen. Bei einer stützenfreien Fertigung entfällt die Notwendigkeit solch intensiver Nachbearbeitungsschritte, wodurch die Fertigstellung eines Teils wesentlich schneller und kostengünstiger wird. Ohne dass die angebrachten Stützen entfernt werden müssen, weist das gedruckte Teil außerdem sofort eine bessere und gleichmäßigere Oberflächenbeschaffenheit auf.

Fertigungsgeschwindigkeits-Hack #3: Weniger Material verbrauchen und die Umweltbelastung verringern

Mit Blick auf Nachhaltigkeit und verantwortungsbewusste Fertigung liegt es auf der Hand, dass durch den Verzicht auf Stützen - oder sogar deren Reduzierung in Größe und Anzahl - weniger Material verbraucht wird. Dies führt zu einem geringeren Materialabfall und einem geringeren Energieaufwand, wodurch sowohl die finanziellen als auch die ökologischen Kosten des 3D-Drucks gesenkt werden. Außerdem verringert sich die Gesamtzeit sowohl für den anfänglichen Druckprozess als auch für die Nachbearbeitung des Teils, was zu mehr Effizienz und Einfachheit führt.

Was ist beim stützenfreien 3D-Druck möglich?

Die Realität ist, dass 100 % unterstützungsfreies AM derzeit nicht für jede Anwendung oder Geometrie möglich ist. Das soll aber nicht heißen, dass es in Zukunft nicht möglich sein wird - bei EOS Additive Minds haben wir in letzter Zeit einige unglaubliche Fortschritte gemacht, um dem Endziel des unterstützungsfreien Drucks näher zu kommen. 

Die wahrscheinlich nachhaltigste Einschränkung der Metall-AM ist, dass man ohne Stützen nicht unter einem bestimmten Überhangwinkel drucken kann. Ohne Stützen besteht die Gefahr, dass sich der Überhang aufgrund der Restspannungen, die durch die fokussierte Energie der Laser während des Drucks entstehen, verzieht. Dies schränkt die Benutzer von Metall-AM-Systemen oft in der Wahl ihrer Anwendungen ein.

Dank des innovativen Denkens von Branchenführern wird der kritische 45-Grad-Winkel nun in Frage gestellt und in Frage gestellt. Inzwischen gibt es zahlreiche Software- und Parameterpakete, die es den Anwendern ermöglichen, Überhänge und Brücken in viel niedrigeren Winkeln zu drucken, ohne die Effektivität des 3D-Druckverfahrens und die Qualität der hergestellten Metallteile zu beeinträchtigen.

Werfen Sie einen Blick auf diese Fallstudie zu ummantelten Laufrädern, bei der eine stützenfreie Konstruktion erreicht wurde, obwohl die Grenzen des Überhangwinkels auf beeindruckende 10 Grad verschoben wurden.

Bei diesem speziellen Projekt wurden auch die internen Stützen vollständig entfernt, was die Nachbearbeitung wesentlich weniger kompliziert macht - ungünstig platzierte Stützen im Inneren eines Teils können zu den schwierigsten zu entfernenden Teilen gehören, selbst wenn sie nicht die größten sind. Durch diese Verringerung der Größe und Anzahl der Stützen konnten die Gesamtproduktionskosten für die Laufräder um 35 % gesenkt werden.

Das Prozessentwicklungsteam hat die Erkenntnisse aus maßgeschneiderten, spezialisierten Projekten wie diesem auf die Standardprozesse übertragen, die für "Plug-and-Play"-3D-Drucksoftware verfügbar sind. Das bedeutet, dass Sie jetzt auch ohne einen Fachberater die Winkelgrenzen standardmäßig auf 20 Grad reduzieren können.

Wie EOS Sie beim unterstützungsfreien Drucken unterstützt

Unsere Spezialsoftware EOSPRINT 2 ist so konzipiert, dass sie die vielseitigste Plattform für die Verwaltung Ihrer 3D-Druckanforderungen bietet. Für diejenigen, die in die Welt der additiven Fertigung einsteigen wollen, ist die Software mit einer Reihe von "Plug-and-Play"-Lösungen vorinstalliert. Diese bieten Ihnen alles, was Sie für die einfache Herstellung von Produkten benötigen, ohne dass Sie Parameter konfigurieren oder anpassen müssen. Die fortschrittliche Programmierung in der Software nimmt Ihnen einen Großteil der Arbeit ab, so dass Sie mühelos drucken können.

Für diejenigen, die bereits Erfahrung im 3D-Druck haben, bietet EOSPRINT auch mehr Möglichkeiten zum Experimentieren und Kalibrieren. Anstatt die voreingestellten Lösungen zu verwenden, können Sie die Einstellungen selbst manuell ändern. Dies ist perfekt für alle, die ihre additive Fertigung verbessern möchten und dabei sicher sein wollen, dass die Software, die sie verwenden, von höchster Qualität ist.

Um Sie bei der Entwicklung des 3D-Metalldrucks zu unterstützen und Ihnen zu helfen, das Beste aus den Möglichkeiten unserer Software herauszuholen, bieten wir einen eLearning-Kurs an. Dieses 3D-Druckmodul bietet einen umfassenden Überblick über die unterstützungsfreie additive Fertigung von Metall und vermittelt Ihnen Fachwissen, mit dem Sie Kosten senken, Zeit sparen und Innovationen in der gesamten Prozesskette vorantreiben können.

Wenn Sie ein spezielles Projekt haben, das Sie verwirklichen möchten, ist unser Additive Minds-Team für Sie da. Für jedes maßgeschneiderte Projekt, das ein höheres Maß an Überlegung und Verständnis erfordert, als unsere Softwarepakete bieten können, sind Sie hier am besten aufgehoben. 

Egal, welche Erfahrung Sie haben - Wir unterstützen Sie auf Ihrem Weg zum unterstützungsfreien 3D-Metalldruck