Additive Stützstrukturen:Warum sie wichtig sind und wie man sie gestaltet – Der grundlegende Leitfaden

Veröffentlicht am 5. April 2022

Die additive Fertigung hat eine neue Ära der Fertigungsmöglichkeiten eingeläutet. Die 3D-Drucktechnologie ermöglicht es uns, bisher „nicht herstellbare“ Teile mit komplexen Abmessungen und Winkeln mit beispielloser Geschwindigkeit und Präzision herzustellen. Aufgrund der Natur des additiven Fertigungsverfahrens, bei dem Material Schicht für Schicht hinzugefügt wird, ist es jedoch häufig erforderlich, dass Teile während des Druckvorgangs eine Unterstützung benötigen, um den Innendruck – im Wesentlichen die Schwerkraft – zu bewältigen. Ohne diese Unterstützung können die Additivschichten nicht vom sie umgebenden Material gehalten werden und kollabieren, wodurch der Druck fehlschlägt. Um dieser Herausforderung zu begegnen, müssen wir manchmal Stützstrukturen in unsere 3D-gedruckten Teile einbauen.

Um sicherzustellen, dass Sie das Potenzial Ihres 3D-gedruckten Teils hinsichtlich Geschwindigkeit, Qualität und Kosten maximieren, ist es wichtig, die Stützstrukturen zu verstehen und zu verstehen, wie sie in Ihr additives Fertigungsprojekt integriert werden sollten.

Was sind Stützstrukturen im 3D-Druck?

Stützstrukturen halten Elemente eines 3D-gedruckten Teils, die bei der Herstellung kein Stützmaterial haben. Nicht alle 3D-Druckverfahren erfordern Stützstrukturen:Während die Prozesse Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) und Stereolithographie (SLA) häufig Stützstrukturen erfordern, ist dies bei HP Multi Jet Fusion, einem Pulverbettdruckverfahren, nicht der Fall.

Beim additiven Fertigungsverfahren Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM) werden beispielsweise Schichten aus erhitztem extrudiertem Material aus einem Druckbett durch Adhäsion an die darunter liegenden Materialschichten aufgebaut und können über diese unteren Schichten hinausragen, um eine abgewinkelte Oberfläche zu erzeugen. Wenn dieser Winkel 45° überschreitet, muss das überhängende Element im Allgemeinen gestützt werden, da das Gewicht des nicht unterstützten Materials andernfalls dazu führt, dass das Element zusammenbricht und der Druck fehlschlägt.

Wenn Stützen erforderlich sind, müssen diese in die Teilekonstruktion integriert und bei der Herstellung in das Teil eingedruckt werden. Dies bedeutet natürlich, dass der zusätzliche Zeit- und Materialaufwand für den 3D-Druckprozess und die anschließende Entfernung der Stützstrukturen nach dem Prozess berücksichtigt werden muss.

Ausnahmen:  Nicht alle additiven Fertigungsverfahren erfordern Stützstrukturen. Während 3D-Drucktechnologien wie das Fused Deposition Modeling (FDM) Teile durch das Hinzufügen von Materialschichten zu einem Druckbett drucken, drucken andere, wie etwa HP Multi Jet Fusion (MJF), Teile aus einem Pulverbett. Da die Pulverschichten selbsttragend sind, müssen in HP MJF-Teilekonstruktionen keine Stützstrukturen integriert werden.

Welche Arten von Stützstrukturen sind verfügbar?

Stützstrukturen für 3D-gedruckte Teile variieren in Design und Art, können aber grob in zwei Kategorien eingeteilt werden:„Bäume“ und „Zäune“.

• Baum unterstützt:  Baumstützen, die Ästen oder Stämmen ähneln, können einen Teil umschließen und passen genau auf schräge Oberflächen, um das Entfernen zu erleichtern. Baumstützen können im Rahmen eines 3D-Druckprojekts schnell entworfen, angewendet und getestet werden, was eine schnelle Iteration ermöglicht. Aufgrund ihrer verzweigten Struktur können sie über Entfernungen hinweg gezielt bestimmte Bereiche unterstützen.
• Zaunstützen:  Zaunstützen ähneln Wänden und verfügen über verschiedene Befestigungspunkte. Sie werden senkrecht zur Oberfläche eines Teils gedruckt, oft mit einer Gitterstruktur. Zaunstützen sind langlebiger und leichter zu entfernen als Baumstützen und sind in der Regel die bessere Wahl für kosmetische Teile oder die Massenproduktion.

Wann sollte ich Unterstützungsstrukturen für die additive Fertigung verwenden?

Die „45°-Regel“ legt nahe, dass 3D-gedruckte Überhänge von 45° und mehr Unterstützung erfordern, während dies bei Überhängen unter 45° nicht der Fall ist.

Allerdings sollte die 45°-Regel als allgemeine Faustregel betrachtet werden und der Bedarf an Stützstrukturen hängt von der Komplexität des Teiledesigns und dem verwendeten Material ab. In einigen Fällen kann die Überbrückung eine Alternative zu Stützstrukturen darstellen:Die Überbrückung ist eine Technik, bei der erhitztes Zusatzmaterial über eine kurze Distanz (normalerweise weniger als 5 mm) gedehnt wird, ohne die Integrität des Teils zu beeinträchtigen.

Das „YHT“-Prinzip:Bei der Konzeption als aufrecht stehende 3D-gedruckte Modelle sind die Buchstaben Y, H und T nützlich, um die Notwendigkeit von Stützstrukturen für die additive Fertigung zu veranschaulichen.

• Der Buchstabe Y:  Zwei Arme erstrecken sich im 45°-Winkel vom Buchstaben Y – der Winkel ihres Überhangs erfordert keine Stützstrukturen. Je weiter der Überhangwinkel 45° überschreitet, desto wahrscheinlicher ist es, dass Stützstrukturen erforderlich sind.
• Der Buchstabe H:  Wenn die beiden vertikalen Elemente des Buchstabens H weniger als 5 mm voneinander entfernt sind, ist es möglicherweise möglich, das horizontale Element des H mit einer Brücke in 3D zu drucken. Wenn die vertikalen Elemente weiter als 5 mm voneinander entfernt sind, sind für das horizontale Element möglicherweise Stützstrukturen erforderlich.
• Der Buchstabe T:  Die beiden Arme des Buchstabens T erstrecken sich im 90°-Winkel vom vertikalen Element und erfordern Stützstrukturen.

Über den Winkel eines Überhangs hinaus können auch andere Faktoren die Notwendigkeit von Stützstrukturen beeinflussen. Dazu gehören die Qualität des 3D-Druckers und die Geschwindigkeit, mit der er druckt:Langsamere Drucker können beispielsweise den Bedarf an Stützstrukturen erhöhen.

Unterstützungsstrukturen:Herausforderungen bei der Herstellung

Stützstrukturen sind in vielen additiven Konstruktionen eine Notwendigkeit, aber es ist wichtig zu bedenken, dass sie die Kosten eines Teils in der Massenproduktion erheblich beeinflussen können – ganz zu schweigen von der Menge an Abfallmaterial, die das Projekt letztendlich produziert. Auch beim Entfernen von Stützstrukturen ist Vorsicht geboten, da diese beim Abnehmen das fertige Teil beschädigen oder Spuren hinterlassen können.

Unter Berücksichtigung dieser Faktoren sollten 3D-gedruckte Teile idealerweise so gestaltet werden, dass der Bedarf an Stützstrukturen minimiert oder ganz eliminiert wird. Außerdem sollten nach Möglichkeit DFAM-Prinzipien (Design for Additive Manufacturing) angewendet werden, um Teile hinsichtlich Qualität, Kosten und Produktionszeit zu optimieren. Die folgenden Strategien können dazu beitragen, den Bedarf an Unterstützungsstrukturen zu reduzieren:

Ausrichtung:  Die Ausrichtung von Teilen auf dem Druckbett kann sich auf die Notwendigkeit von Stützstrukturen auswirken. Überhänge können beispielsweise durch Drehen eines Teils auf die Rückseite oder die Seite beseitigt werden. In den obigen Beispielen würde die Anordnung der 3D-Modellbuchstaben Y, H und T auf der Rückseite alle überhängenden Elemente vollständig eliminieren und Stützstrukturen oder Brücken überflüssig machen.

Teilegeometrie:  Entfernen Sie nach Möglichkeit Überstände aus Ihrem Design – oder reduzieren Sie deren Winkel auf weniger als 45°. Natürlich können funktionale Anforderungen die vollständige Eliminierung von Überhängen unmöglich machen, aber Sie können möglicherweise alternative Designelemente wie Fasen, Zwickel und Radien einführen, um die Geometrie des Teils selbsttragender zu gestalten.

Teiletrennung:  Die 3D-Drucktechnologie ermöglicht die Herstellung komplexer Einzelteile. Wenn jedoch der Umfang der Unterstützung, die diese Teile benötigen, ihre Qualität oder Kosteneffizienz beeinträchtigt, kann es sich lohnen, das Teil in kleinere Komponenten aufzuteilen, die später zusammengebaut werden können. Kugelförmige Teile erfordern beispielsweise eine erhebliche Unterstützung, aber indem man sie in zwei Hälften teilt und eine große flache Oberfläche schafft, ist es möglich, die Notwendigkeit von Unterstützungen vollständig zu eliminieren.

Unterstützungsdichte:  Der Druck, der auf Stützstrukturen ausgeübt wird, bestimmt, wie stark sie sein müssen und wie viel Material für ihren Druck erforderlich ist. Um einen erfolgreichen und kostengünstigen Druck zu gewährleisten, stellen Sie sicher, dass Ihre Stützstrukturen dicht genug sind, um die Größe des überhängenden Elements zu tragen. Bedenken Sie, dass es umso schwieriger sein kann, den Nachdruck zu entfernen, je dichter die Stützstruktur ist.

Auflösbare Träger:  Einige 3D-Drucktechnologien sind möglicherweise in der Lage, Stützstrukturen über eine sekundäre Druckdüse in ein separates auflösbares Material zu drucken. Diese Stützstrukturen können nach dem Drucken in Wasser oder Chemikalien getaucht und aufgelöst werden, um einen intakten Teil zu hinterlassen. Auflösbare Stützstrukturen reduzieren das Risiko einer Beschädigung des fertigen Teils während des Entfernungsprozesses der Stützstruktur. Die meisten FDM-Additivmaterialien verfügen über lösliche Träger, DLS- und SLA-Materialien jedoch nicht. Der HP MJF-Prozess erfordert überhaupt keine Unterstützung.

Erste Schritte

Unterstützungsstrukturen werden in den meisten additiven Fertigungsprojekten weiterhin eine wesentliche Rolle spielen.

Während das Ziel stets darin besteht, den Bedarf an Stützstrukturen zu reduzieren oder zu eliminieren, zielen unsere Ingenieure darauf ab, Ihr Teil hinsichtlich Funktionalität und Kosten zu optimieren. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie wir Ihr additives Fertigungsprojekt ermöglichen können, kontaktieren Sie noch heute das SyBridge-Team.