Additive Fertigung meistern: 5 wesentliche Design-Tipps

Da sich Fertigungstechnologie weiterentwickelt, muss auch das Design-for-Manufacturing (DFM)-Skillset der Fertigungsindustrie mithalten. Die additive Fertigungslandschaft hat sich im vergangenen Jahrzehnt dramatisch weiterentwickelt: 3D-Druck galt lange als Prototyping-Tool oder sogar als Novität, aber seit die Technologie industrielle Fähigkeiten erreicht hat, ist Design for Additive Manufacturing (DFAM) eine begehrte Kompetenz unter Ingenieuren und Produktentwicklern geworden.

Angesichts des schnellen Wandels kann die Aussicht, nach Jahren der DFM-Expertise für traditionelle Fertigungstechnologien neue DFAM-Techniken lernen zu müssen, überwältigend wirken. Diese Herausforderung wird durch verschiedene 3D-Drucktechnologien weiter kompliziert: Optimale DFAM-Techniken für Fused Deposition Modeling (FDM) können sich von Stereolithographie (SLA), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) oder HP Multi Jet Fusion (HP MJF) unterscheiden – und erhebliche neue Kosten-, Material- und Designüberlegungen mit sich bringen.

3D-Drucktechnologie verstehen

Es sollte selbstverständlich sein, dass ein Designprojekt mit Verständnis der Technologie entwickelt werden sollte, die es erstellt. 3D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren – Material wird schichtweise progressiv hinzugefügt, um ein fertiges Teil zu bilden – im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren wie CNC-Fräsen, bei denen Material von einem Werkstück durch ein Schneidwerkzeug entfernt wird.

Trotz der Unterschiede zu traditionellen Fertigungsmethoden muss die Integration additiver Fertigung in bestehende Produktionsframeworks nicht schwierig sein. Mit etwas kreativem Denken und Bereitschaft zur Perspektivänderung wird das Anpassen von Designs für additive Produktion nicht so herausfordernd sein, wie Sie sich vorstellen.

Wenn Sie bereit sind für den Wechsel, hier sind fünf 3D-Druck-Design-Tipps für den Einstieg:

1. Auf neue Herausforderungen vorbereiten

Additive Fertigung eröffnet eine Reihe von Fertigungsmöglichkeiten, ermöglicht die Erstellung zuvor „nicht herstellbarer“ Teile mit relativer Geschwindigkeit und Effizienz. DFAM bringt jedoch auch neue Herausforderungen, die Designer und Ingenieure berücksichtigen müssen, wenn sie Teile vom digitalen in den physischen Zustand überführen. Das Bauraumvolumen von 3D-Druckern kann z. B. die Größe bestimmter Teile beschränken und Projekte erfordern, die aus mehreren Drucken bestehen. Gleichzeitig haben spezifische Drucktechnologien eigene Herausforderungen: FDM erzeugt Teile mit sichtbaren Schichtlinien, die in digitalen Designs nicht dargestellt sein mögen (und die nachträglich geglättet werden können), und der HP MJF-Prozess erfordert, dass Teile einen Kühlprozess durchlaufen und dann gereinigt werden, was die Produktionszeit verlängern kann.

DFAM ist zweifellos eine aufregende Grenze, aber um das Beste aus Ihrer 3D-Drucktechnologie herauszuholen, ist es wichtig, diese praktischen Überlegungen während der Projektentwicklung zu berücksichtigen.

2. Stützstrukturen anpassen

Um Elemente mit Überhängen zu berücksichtigen, können Teile Stützstrukturen benötigen, die Designherausforderungen erzeugen. Die Notwendigkeit von Stützstrukturen hängt vom Winkel ab, in dem ein Überhang gesetzt ist. Wichtig: Stützen verbrauchen 3D-Druckmaterial, was zusätzliche Kosten und Zeit zum Druckprozess hinzufügt.

Glücklicherweise können Sie die Notwendigkeit, Überhänge zu stützen – und so Zeit und Geld sparen – mit wenigen einfachen Strategien reduzieren. Eine gute Faustregel: Überhangwinkel so weit wie möglich minimieren. Neigungen von 45° und darüber erfordern generell Stützen, darunter nicht. Ebenso können Sie bestimmte Teile verankern, indem Sie die erforderliche Stütze zum Designelement machen oder die Ausrichtung des Teils auf der Bauplattform anpassen. Schließlich können Sie eine „support-freundlichere“ Druckmethode wählen: Pulverbett-3D-Druckprozesse wie HP MJF erfordern keine Stützstrukturen im Design, da das Pulver, in dem sie hergestellt werden, selbsttragend ist.

3. Verzug reduzieren

Wenn Sie gerade Ihre additive Fertigungsreise beginnen, sind Ihnen die verfügbaren additiven Materialien und ihre Eigenschaften möglicherweise unbekannt.

Insbesondere neigen 3D-Druckprozesse dazu, Materialien zu verziehen (besonders bei großen, flachen Flächen). Verzug kann durch verschiedene Temperaturvariablen entstehen: Im FDM-Prozess wird Materialfilament bei hoher Temperatur extrudiert, dann gekühlt. Bei SLA und DLS durchlaufen Teile einen Nachdruck-Backprozess. Im HP MJF-Prozess entsteht Verzug durch Sintern in einem beheizten Materialbett mit nachträglicher Kühlung. Manche 3D-Druckprozesse sind anfälliger für Verzug als andere: Die Ecken von FDM-3D-Drucken können sich z. B. durch thermische Kontraktion vom Druckbett lösen und aufwärts verziehen.

Verzug kann möglicherweise durch korrekte Kalibrierung der 3D-Drucker oder durch geeignete Haftung der Teile am Druckbett adressiert werden. Der Verzugeffekt kann auch im Design gemildert werden: Anzahl scharfer Kanten oder überhängender Elemente reduzieren, Ecken runden, um thermische Spannung gleichmäßiger zu verteilen. Ebenso haben lange oder dünne Teile höhere Verzugstendenz – diese im Design zu verdicken, reduziert den Effekt. Die Zusammenarbeit mit erfahrenen Partnern wie Fast Radius ist ein guter Weg, Verzug (wenn möglich) zu verhindern, da wir sicherstellen, dass alle Gerätekalibrierungen vor dem Druck korrekt durchgeführt werden.

4. Wandstärke berücksichtigen

3D-Drucktechnologie erreicht beeindruckende Präzision und kann Teile mit feinsten Details produzieren – einschließlich extrem dünner Teile. Doch wie bei spritzgegossenen Teilen: Je dünner ein 3D-gedrucktes Teil, desto wahrscheinlicher treten Fehler während des Druckprozesses auf: Zu dünne Merkmale riskieren, sich zu verformen oder vom Teil abzulösen, bevor das Harz abkühlen kann. Ebenso können extrem dünne Teile nachträglichen Verzug beim Abkühlen verschlimmern. Selbst wenn ein dünner Teil den Druckprozess übersteht, kann er durch notwendige Reinigung, Veredelung oder Nachbearbeitung beschädigt werden.

Mit diesen Faktoren im Hinterkopf sollten Sie sicherstellen, dass Sie Ihre Teile auf die für die verwendete 3D-Drucktechnologie empfohlene Mindestwandstärke designen. Fast Radius Ingenieure arbeiten mit Ihnen zusammen, um eine geeignete Wandstärke für Ihr Teil zu bestimmen – und einzigartige Herausforderungen Ihres Designs zu managen.

5. Kreative Chancen erkunden

3D-Drucktechnologie bietet Möglichkeiten, den Produktionsprozess zu straffen und zu optimieren, die mit anderen Fertigungsmethoden nicht möglich wären. Dazu gehört Leichtbau ohne Festigkeitsverlust durch Materialentfernung. Eine der effektivsten Leichtbaumethoden für 3D-gedruckte Teile ist das Design mit Gitterstrukturen (Lattices): Kreuzschraffur-Strukturen, die entlang jeder Achse tesselliert werden können, weniger 3D-Druckmaterial verbrauchen und das Gesamtgewicht des Teils reduzieren.

Denken Sie kreativ über DFAM-Optimierungsmöglichkeiten nach. Das Gitter findet sich in zahlreichen natürlich vorkommenden Strukturen – Bienenwaben, Korallen. Die Natur stellt eine riesige Ressource für weitere DFAM-Optimierungsideen dar, bietet ein Spektrum potenziell nützlicher Designinspirationen. Über das Gewicht hinaus können Teile für Eigenschaften wie Zähigkeit, Dehnung bis zum Bruch, Wärmeübertragung optimiert werden – Metriken, die Korrelate in den strukturellen Eigenschaften menschlicher Knochen haben und die (in unterschiedlichem Ausmaß) durch 3D-Drucktechnologie emuliert werden können.

Der Wert von DFAM-Expertise

Technologische Fortschritte verändern die additive Fertigungslandschaft, haben aber die Bedeutung menschlicher Ingenieureingabe nicht eliminiert. Beim Übergang zu DFAM können selbst die besten Ingenieure von Drittanbieter-Erfahrung und -Expertise profitieren – oder einfach von einem externen Sparringspartner – während sie für 3D-Drucktechnologie designen.

Kurz gesagt: Während es viele DFAM-Ressourcen gibt, bleibt persönliche Problemlösung unverzichtbar. Ob Sie Hilfe bei der Optimierung bestehender Designs benötigen oder ein Design von Grund auf neu starten – das Engineering-Team von Fast Radius ist bereit, Ihnen zu helfen: Melden Sie sich noch heute.

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