Additive Supportstrukturen: Warum sie wichtig sind & wie man sie designt – Der essenzielle Leitfaden

Veröffentlicht am 5. April 2022

Additive Fertigung hat ein neues Zeitalter der Fertigungsmöglichkeiten eingeläutet. 3D-Drucktechnologie ermöglicht Erstellung zuvor „unmachbarer“ Teile mit komplexen Dimensionen und Winkeln, mit beispielloser Geschwindigkeit und Präzision. Doch die Natur des additiven Fertigungsprozesses – Material wird Schicht für Schicht aufgetragen – bedeutet oft, dass Teile Support benötigen, um internen Druck – im Wesentlichen Schwerkraft – während des Drucks zu managen. Ohne Support können additive Schichten nicht vom umgebenden Material gehalten werden und kollabieren, was den Druck fehlschlagen lässt. Um diese Herausforderung zu adressieren, müssen wir manchmal Supportstrukturen in unsere 3D-gedruckten Teile designen.

Um das Potenzial Ihres 3D-gedruckten Teils für Geschwindigkeit, Qualität und Kosten zu maximieren, ist es wichtig, Supportstrukturen zu verstehen und wie sie in Ihr additives Fertigungsprojekt integriert werden sollten.

Was sind Supportstrukturen im 3D-Druck?

Supportstrukturen halten Elemente eines 3D-gedruckten Teils, die während der Fertigung kein Stützmaterial haben. Nicht alle 3D-Druckprozesse benötigen Supportstrukturen: Während Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) und Stereolithografie (SLA) oft Supports benötigen, tut HP Multi Jet Fusion (Pulverbettdruck) dies nicht.

Im Stratasys FDM-Prozess werden Schichten erhitzten extrudierten Materials von einem Druckbett durch Adhäsion an unteren Materialschichten aufgebaut und können diese überhängen, um angewinkelte Oberflächen zu schaffen. Wenn dieser Winkel 45° übersteigt, benötigt das überhängende Element generell Support – sonst verursacht das Gewicht des ungestützten Materials Kollaps und Druckfehler.

Links: Überhang ≤ 45° von Vertikale → Support generell nicht nötig
Rechts: Überhang > 45° von Vertikale → Support generell nötig

Wo Supports nötig, müssen sie in das Teildesign integriert und mitgedruckt werden. Das bedeutet: Extrazeit und -material während 3D-Druck und nachträgliche Supportentfernung einplanen.

Ausnahmen: Nicht alle additiven Fertigungsmethoden benötigen Supportstrukturen. Während FDM Schichten auf Druckbett aufbaut, drucken andere wie HP MJF aus Pulverbett. Da Pulverschichten selbsttragend sind, benötigen HP MJF-Teildesigns keine Supportstrukturen.

Welche Arten von Supportstrukturen gibt es?

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

• Tree-Supports: Ähneln Ästen/Stämmen, können Teil umschließen und sich eng an angewinkelte Flächen anpassen für leichte Entfernung. Schnelles Designen, Anwenden, Testen – ermöglicht schnelle Iteration. Aststruktur erreicht spezifische Bereiche über Distanzen.
• Fence-Supports: Ähneln Wänden, mit vielfältigen Montagepunkten, gedruckt senkrecht zur Teileoberfläche oft mit Gitterstruktur. Haltbarer und leichter zu entfernen als Tree-Supports – typisch bessere Wahl für kosmetische Teile oder High-Volume-Produktion.

Wann sollte ich additive Supportstrukturen nutzen?

Die „45°-Regel“ besagt: 3D-gedruckte Überhänge ≥ 45° benötigen Support, < 45° nicht.

Die 45°-Regel ist jedoch ein allgemeiner Daumenwert – Bedarf an Supportstrukturen variiert je nach Teilekomplexität und Material. In manchen Fällen bietet Bridging Alternative: Bridging spannt erhitztes additives Material über kurze Distanz (üblich < 5 mm) ohne Integritätseinbuße.

Das „YHT“-Prinzip: Als 3D-gedruckte Modelle stehend veranschaulichen Buchstaben Y, H, T die Notwendigkeit von Supportstrukturen.

• Y: Zwei Arme erstrecken sich bei 45° – Überhangwinkel erfordert keine Supports. Je weiter Winkel 45° überschreitet, desto wahrscheinlicher Supports.
• H: Wenn zwei vertikale Elemente ≤ 5 mm auseinander, kann horizontales Element mit Bridge gedruckt werden. Weiter auseinander → horizontales Element braucht Supports.
• T: Zwei Arme erstrecken sich bei 90° vom vertikalen Element – benötigen Supports.

Beyond Überhangwinkel: Weitere Faktoren beeinflussen Supportbedarf – 3D-Druckerqualität, Druckgeschwindigkeit: Langsamere Drucker können Supportbedarf erhöhen.

Supportstrukturen: Fertigungsherausforderungen

Supports sind in vielen additiven Builds notwendig, aber sie beeinflussen Teilkosten in Volumenproduktion signifikant – nicht zu vergessen Abfallmaterial. Vorsicht bei Entfernung: Sie können fertiges Teil beschädigen oder markieren.

Mit diesen Faktoren im Hinterkopf sollten 3D-gedruckte Teile idealerweise designed werden, um Supportbedarf zu minimieren/eliminieren, und wo möglich Design-for-Additive-Manufacturing (DFAM)-Prinzipien anwenden, um Teile für Qualität, Kosten, Produktionszeit zu optimieren. Folgende Strategien helfen, Supportbedarf zu reduzieren:

Orientierung: Teileorientierung auf Druckbett beeinflusst Supportbedarf. Überhänge eliminierbar durch Rotation auf Rücken/Seite. In obigen Beispielen: Y, H, T auf Rücken gelegt → alle Überhänge + Supportbedarf eliminiert.

Teilgeometrie: Wo möglich, Überhänge entfernen – oder Winkel < 45° reduzieren. Funktionale Anforderungen machen Totale limination oft unmöglich, aber alternative Designelemente wie Fasen, Gussets, Radien können Geometrie selbsttragender machen.

Teiltrennung: 3D-Druck ermöglicht komplexe Einzelteile, aber wenn Supportbedarf Qualität/Kosteneffizienz mindert, kann Aufsplitten in kleinere Komponenten für spätere Montage sinnvoll sein. Kugelförmige Teile benötigen substanziellen Support – durch Halbierung und große Fläche kann Supportbedarf komplett eliminiert werden.

Supportdichte: Auf Supportstrukturen ausgeübte Drücke diktieren nötige Stärke und Materialmenge. Für erfolgreichen, kosteneffektiven Druck: Supports dicht genug für Überhängegröße. Bedenken: Dichtere Supports = schwierigere Nachdruckentfernung.

Lösliche Supports: Manche 3D-Drucktechnologien können Supports in separatem löslichem Material via sekundärer Druckdüse drucken. Nach Druck in Wasser/Chemikalien tauchen → lösen sich auf, intaktes Teil bleibt. Lösliche Supports reduzieren Potenzial für Beschädigung bei Entfernung. Die meisten FDM-Materialien haben lösliche Supports; DLS und SLA nicht. HP MJF benötigt gar keine Supports.

Loslegen

Supportstrukturen werden weiterhin integrale Rolle in den meisten additiven Fertigungsprojekten spielen.

Während Ziel immer ist, Supportbedarf zu reduzieren/eliminieren, optimieren unsere Ingenieure Ihr Teil für Funktionalität und Kosten. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie wir Ihr additives Fertigungsprojekt möglich machen – kontaktieren Sie das SyBridge-Team heute.