3D-Druck optimieren: Die entscheidende Rolle von Stützstrukturen und Designstrategien

Die additive Fertigung hat eine neue Ära der Fertigungsmöglichkeiten eingeläutet. Die 3D-Drucktechnologie ermöglicht es uns, zuvor „nicht herstellbare“ Teile mit komplexen Geometrien und Winkeln in beispielloser Geschwindigkeit und Präzision zu fertigen. Da beim additiven Fertigungsprozess Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, benötigen Teile häufig Stützen, um innere Spannungen – im Wesentlichen die Schwerkraft – während des Drucks zu bewältigen. Ohne diese Unterstützung können additive Schichten nicht vom umgebenden Material gehalten werden und kollabieren, was zum Druckfehler führt. Um dieser Herausforderung zu begegnen, müssen wir manchmal Stützstrukturen in unsere 3D-gedruckten Teile integrieren.

Was sind Stützstrukturen im 3D-Druck?

Stützstrukturen halten Elemente eines 3D-gedruckten Teils, die während der Fertigung kein tragendes Material haben. Nicht alle 3D-Druckverfahren erfordern Stützstrukturen: Während Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis (DLS) und Stereolithografie (SLA) häufig Stützen benötigen, kommt das HP Multi Jet Fusion als Pulverbettverfahren ohne sie aus.

Beim Stratasys FDM-Verfahren werden beispielsweise Schichten aus erhitztem, extrudiertem Material von einer Druckplatte aus durch Haftung an den darunterliegenden Schichten aufgebaut und können diese überragen, um geneigte Oberflächen zu erzeugen. Übersteigt dieser Winkel 45°, benötigt das überhängende Element in der Regel Stützen, da sonst das Gewicht des ungestützten Materials zum Kollabieren und zum Druckfehler führt.

Wo Stützen erforderlich sind, müssen sie in das Teiledesign integriert und beim Druck mitproduziert werden. Das bedeutet, die zusätzliche Zeit und das Material während des 3D-Druckprozesses sowie die nachfolgende Nachbearbeitung zur Entfernung der Stützstrukturen einzuplanen.

Ausnahmen: Nicht alle additiven Fertigungsverfahren erfordern Stützstrukturen. Während Technologien wie FDM Teile durch Auftragen von MaterialsSchichten auf einer Druckplatte fertigen, drucken andere wie HP Multi Jet Fusion (MJF) Teile aus einem Pulverbett. Da die Pulverschichten selbsttragend sind, benötigen HP MJF-Teiledesigns keine Stützstrukturen.

Welche Arten von Stützstrukturen gibt es?

Stützstrukturen für 3D-gedruckte Teile variieren in Design und Typ, lassen sich aber grob in zwei Kategorien einteilen: „Bäume“ und „Zäune“.

• Baumstützen: Sie ähneln Ästen oder Stämmen, können ein Teil umschließen und passen sich geneigten Oberflächen für eine einfache Entfernung an. Baumstützen können schnell als Teil eines 3D-Druckprojekts entworfen, angewendet und getestet werden, was schnelle Iterationen ermöglicht. Ihre verzweigte Struktur erlaubt es, über Distanzen hinweg gezielt bestimmte Bereiche zu stützen.
• Zaunstützen: Sie ähneln Wänden und verfügen über verschiedene Befestigungspunkte. Zaunstützen werden senkrecht zur Teileoberfläche oft mit Gitterstruktur gedruckt. Sie sind langlebiger und einfacher zu entfernen als Baumstützen und eignen sich typischerweise besser für optische Bauteile oder die Serienfertigung.

Wann sollten Stützstrukturen in der additiven Fertigung eingesetzt werden?

Die „45°-Regel“ besagt, dass 3D-gedruckte Überhänge ab 45° Stützen benötigen, während solche unter 45° ohne auskommen.

Die 45°-Regel sollte jedoch als grober Richtwert betrachtet werden; die Notwendigkeit von Stützstrukturen variiert je nach Komplexität des Teiledesigns und verwendetem Material. In manchen Fällen bietet „Bridging“ eine Alternative: Dabei wird erhitztes Additivmaterial über kurze Distanzen (meist unter 5 mm) gespannt, ohne die Teileintegrität zu beeinträchtigen.

Das YHT-Prinzip: Betrachtet man die Buchstaben Y, H und T als aufrecht stehende 3D-gedruckte Modelle, veranschaulichen sie die Notwendigkeit von Stützstrukturen anschaulich.

• Der Buchstabe Y: Zwei Arme erstrecken sich im 45°-Winkel – ihre Überhangneigung erfordert keine Stützstrukturen. Je weiter der Überhangwinkel 45° überschreitet, desto wahrscheinlicher werden Stützen benötigt.
• Der Buchstabe H: Liegen die beiden vertikalen Elemente des H weniger als 5 mm auseinander, kann das horizontale Element möglicherweise per Bridging gedruckt werden. Bei größeren Abständen sind Stützstrukturen erforderlich.
• Der Buchstabe T: Die beiden Arme des T erstrecken sich im 90°-Winkel vom vertikalen Element und erfordern Stützstrukturen.

Neben dem Überhangwinkel beeinflussen weitere Faktoren den Bedarf an Stützstrukturen, darunter die Qualität des 3D-Druckers und die Druckgeschwindigkeit: Langsamere Drucker können beispielsweise den Bedarf an Stützstrukturen erhöhen.

Stützstrukturen: Fertigungsherausforderungen

Stützstrukturen sind in vielen additiven Builds unverzichtbar, können aber die Kosten eines Teils in der Serienfertigung erheblich beeinflussen – ganz zu schweigen vom Materialabfall. Beim Entfernen der Stützstrukturen ist Vorsicht geboten, da sie das fertige Teil beschädigen oder Markierungen hinterlassen können.

Vor diesem Hintergrund sollten 3D-gedruckte Teile idealerweise so gestaltet sein, dass der Bedarf an Stützstrukturen minimiert oder eliminiert wird. Wo möglich, sollten Design-for-Additive-Manufacturing (DfAM)-Prinzipien angewendet werden, um Teile für Qualität, Kosten und Produktionszeit zu optimieren. Folgende Strategien können helfen, den Bedarf an Stützstrukturen zu reduzieren:

Ausrichtung: Die Orientierung der Teile auf der Druckplatte beeinflusst den Bedarf an Stützstrukturen. Überhänge lassen sich beispielsweise durch Drehen des Teils auf den Rücken oder die Seite eliminieren. In den obigen Beispielen würde das Ablegen jedes der 3D-Modellbuchstaben Y, H und T auf dem Rücken sämtliche überhängenden Elemente und damit den Bedarf an Stützstrukturen oder Bridging vollständig beseitigen.

Teilgeometrie: Wo möglich, sollten Überhänge aus dem Design entfernt oder ihr Winkel auf unter 45° reduziert werden. Funktionale Anforderungen machen die vollständige Eliminierung von Überhängen zwar manchmal unmöglich, aber alternative Designelemente wie Fasen, Rippen und Radien können die Geometrie selbsttragender machen.

Teiltrennung: Die 3D-Drucktechnologie ermöglicht die Fertigung komplexer Einzelteile. Wenn jedoch die benötigten Stützstrukturen Qualität oder Kosteneffizienz beeinträchtigen, kann es sinnvoll sein, das Teil in kleinere Komponenten aufzuteilen, die später montiert werden. Kugelförmige Teile benötigen beispielsweise umfangreiche Stützen, lassen sich aber durch Halbierung und Schaffung einer großen planen Auflagefläche komplett ohne Stützen drucken.

Stützdichte: Die auf Stützstrukturen wirkenden Kräfte bestimmen, wie stark sie sein müssen und wie viel Material für ihren Druck erforderlich ist. Für einen erfolgreichen und kosteneffizienten Druck müssen die Stützstrukturen dicht genug sein, um das überhängende Element zu tragen. Bedenken Sie: Je dichter die Stützstruktur, desto schwieriger kann die Entfernung nach dem Druck sein.

Lösliche Stützen: Einige 3D-Drucktechnologien können Stützstrukturen in einem separaten löslichen Material über eine zweite Druckdüse drucken. Diese Stützen können nach dem Druck in Wasser oder Chemikalien getaucht und aufgelöst werden, sodass das intakte Teil zurückbleibt. Lösliche Stützen reduzieren das Risiko von Beschädigungen beim Entfernungsprozess. Die meisten FDM-Materialien verfügen über lösliche Stützen; DLS- und SLA-Materialien nicht. Das HP MJF-Verfahren benötigt gar keine Stützen.

Loslegen

Stützstrukturen werden weiterhin eine integrale Rolle in den meisten additiven Fertigungsprojekten spielen. Während das Ziel immer darin besteht, den Bedarf an Stützstrukturen zu reduzieren oder zu eliminieren, zielen unsere Ingenieure darauf ab, Ihr Teil für Funktionalität und Kosten zu optimieren. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie wir Ihr additives Fertigungsprojekt realisieren können, kontaktieren Sie das Fast Radius-Team noch heute.

Bereit, Ihre Teile mit Fast Radius zu fertigen?

Angebot starten