6 wichtige Designüberlegungen für den 3D-Metalldruck

Der Metall-3D-Druck ist auf dem Vormarsch, und der Absatz von Metall-AM-Systemen verzeichnet seit 2017 ein explosives Wachstum von 80 %. Der Metall-3D-Druck bietet eine beispiellose Freiheit von Design, das Designern und Ingenieuren die  Möglichkeit gibt, schaffen organische Formen und leichte Strukturen, die mit traditionellen Herstellungsmethoden sonst nicht möglich wären.

Um das volle Potenzial des Metall-3D-Drucks wirklich auszuschöpfen und wettbewerbsfähig zu bleiben, ist es jedoch entscheidend zu verstehen, wie man die Designfähigkeiten der Technologie optimal nutzt. Da traditionelle Designregeln nicht mehr angewendet werden können, ist ein neuer Designansatz für den Metall-3D-Druck erforderlich.

Aus diesem Grund haben wir unsere wichtigsten Designüberlegungen für den 3D-Metalldruck zusammengestellt, damit Sie das Beste aus Ihren Metallteilen herausholen können.

6 Dinge, die Sie bei der Konstruktion Ihres Metallteils beachten sollten

1. Wandstärke

Einer der wichtigsten Punkte, die bei der Konstruktion für den Metall-3D-Druck zu berücksichtigen sind, ist die Wandstärke. Als allgemeine Faustregel wird empfohlen, Wände mit einer Mindestwandstärke von 0,4 mm zu gestalten. Es ist wichtig, darauf zu achten, dass die Wandstärke Ihrer Teile nicht zu dünn oder zu dick ist, da dies entweder zu einem empfindlichen Druck oder zum Aufbau von Eigenspannungen und damit zu Rissen führen kann. Obwohl feinere Eigenschaften möglich sind, hängt dies stark vom gewählten Metallmaterial sowie den Parametern Ihres Druckers ab.

Bei dicken Wänden können Sie auch mit Gitter- oder Wabenstrukturen experimentieren, da Sie dadurch erheblich Material sparen und auch die Bauzeit verkürzen können.

2. Unterstützungsstrukturen

Stützstrukturen sind beim Metall-3D-Druck praktisch immer eine Notwendigkeit. Obwohl es ideal ist, ein Teil mit der minimalen Anzahl von erforderlichen Stützen zu konstruieren, sind diese für Bereiche wie Löcher, Winkel und Überhänge erforderlich. Stützen werden auch verwendet, um ein Metallteil an der Grundplatte zu verankern, um Wärme abzuführen, was zu Eigenspannungen führen kann.

Als Faustregel für Abstützungen im Innenbereich eines Bauteils, wie z. B. horizontale Bohrungen, gilt die Gestaltung abgewinkelter Stützstrukturen. Durch das Aufbringen dieser Strukturen können Sie die Kontaktfläche mit Stützen minimieren, was wiederum zu weniger Nachbearbeitung führt.

Gestalten Sie Ihre Stützen außerdem so, dass sie sich beim Kontakt mit dem Teil verjüngen. Dies erleichtert das Entfernen von Stützen und das Glätten der Oberfläche erheblich. Leichte, röhrenförmige Stützstrukturen erfordern auch viel weniger Zeit und Mühe zum Entfernen.

3. Überhänge und selbsttragende Winkel

Manchmal müssen Sie möglicherweise ein Metallteil mit Überhängen entwerfen – die hervorstehenden Teile Ihres Drucks. Große Überhänge (normalerweise über 1 mm) erfordern Stützstrukturen, um zu verhindern, dass sie während des Druckvorgangs zusammenbrechen. Die maximale Länge eines nicht unterstützten horizontalen Überhangs beträgt 0,5 mm und es ist wichtig, dass Ihre Überhänge unter dieser Länge bleiben. Verrundungen und Fasen können in einem Teil entworfen werden, um diese Überhänge zu beseitigen.

Neben der Länge ist auch der Winkel Ihrer Überhänge zu berücksichtigen. Ein Winkel unter 45 Grad erfordert normalerweise Stützstrukturen.

4. Teileausrichtung

Das Experimentieren mit der Teileausrichtung ist der beste Weg, um die Anzahl der benötigten Stützstrukturen zu minimieren. Wenn Sie beispielsweise ein Metallteil mit hohlen Rohrelementen herstellen möchten, nimmt die horizontale Ausrichtung mehr Platz ein, während die vertikale oder abgewinkelte Ausrichtung Platz spart und die Anzahl der benötigten Stützen reduziert.

Eine weitere Überlegung, die bei der Auswahl der Teileausrichtung zu berücksichtigen ist, besteht darin, dass nach unten und nach oben gerichtete Oberflächen unterschiedliche Oberflächenrauhigkeiten aufweisen (sogenannte Down-Skins neigen zu einer minderwertigen Oberflächenbeschaffenheit). Wenn Sie detaillierte Merkmale mit höchster Genauigkeit herstellen möchten, achten Sie darauf, diese an der nach oben weisenden Oberfläche des Teils auszurichten.

5. Kanäle und Löcher

Die additive Metallfertigung zeichnet sich durch ihre Fähigkeit aus, Teile mit Kanälen und Löchern herzustellen, die mit herkömmlichen Fertigungsmitteln nicht erreicht werden können. Berücksichtigen Sie bei der Berücksichtigung solcher Merkmale in Ihrem Design, dass der Mindestdurchmesser für die meisten Pulverbettprozesse 0,4 mm beträgt. Löcher und Rohre mit einem Durchmesser von mehr als 10 mm erfordern Stützstrukturen.

Darüber hinaus sind perfekt runde horizontale Löcher immer noch eine Herausforderung für den 3D-Druck. Ziehen Sie in Erwägung, solche Formen in eine selbsttragende Tropfen- oder Rautenform umzugestalten.

Da hohle Metallteile Austrittslöcher benötigen, um nicht geschmolzenes Pulver zu entfernen, berücksichtigen Sie diese mit einem empfohlenen Durchmesser von 2–5 mm in Ihrem Design.

6. Topologieoptimierung und generatives Design

Die Fähigkeit, komplexe Geometrien mittels additiver Fertigung herzustellen, macht es ideal für die Topologieoptimierung und das generative Design. Die Topologieoptimierung zielt darauf ab, die Geometrie und Materialverteilung eines Teils durch mathematische Berechnungen zu optimieren. Generatives Design hingegen ist von den Entwurfsmustern der Natur inspiriert und ermöglicht es Ingenieuren, alle möglichen Elemente einer Lösung zu erkunden. Mithilfe dieser Tools können Designer und Ingenieure die gesamte Designfreiheit des 3D-Drucks erweitern, um funktionsoptimierte, stabile und leichte Metallteile zu erstellen.

Änderung des Designparadigmas, um das Beste aus Metall AM herauszuholen   

Das Designen für den Metall-3D-Druck ist keine leichte Aufgabe, da es Kenntnisse über die Möglichkeiten und Grenzen von Metall-AM-Technologien und -Materialien sowie einen neuen Designansatz erfordert. Die Untersuchung und Integration von Designrichtlinien von Anfang an im Designprozess wird es Unternehmen jedoch ermöglichen, den Erfolg bei der Produktion von Endmetallteilen zu maximieren und gleichzeitig Kosten und Materialverschwendung auf ein Minimum zu reduzieren.

Weitere Informationen zum 3D-Metalldruck finden Sie in unserer umfassenden Leitfaden zum 3D-Metalldruck und unsere Einführung in DMLS.