Der 3D Metalldruck ist zu einem wichtigen Zweig der additiven Fertigung geworden. Insbesondere das Laserschmelzen von Metall im SLM-Verfahren ermöglicht die schnelle, wirtschaftliche Herstellung von Bauteilen aus Aluminium, Edelstahl, Werkzeugstahl, Inconel, Titan, Kupfer und vielen anderen metallischen Werkstoffen. Im Folgenden erfahren Sie, was es bei der Konstruktion zu beachten gilt.
Inhalt:
Grundlagen für den SLM Metalldruck
Winkel
Stützstrukturen
Thermische Spannung und Schrumpfung
Toleranzen
Zusammenfassung
Hinweise für die Bestellung
Beim Selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM) wird das pulverförmige, metallische Ausgangsmaterial an den Bearbeitungspunkten durch die Wärme-Energie eines Hochleistungslasers aufgeschmolzen. Schicht für Schicht entstehen so Bauteile, die die spezifischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials weitestgehend beibehalten, eine Dichte von 99,9 % bieten und sich durch eine besondere Festigkeit auszeichnen. Eine einzigartige, feine Mikrostruktur der 3D-gedruckten Metall-Werkstücke und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften sind kennzeichnend für den SLM 3D-Druck. Damit die Bauteile zu einem vollen Erfolg werden, sind bei der Konstruktion einige Richtlinien zu beachten.
Mit einer optimierten Konstruktion die Vorteile von SLM voll ausschöpfen
Selektives Laserschmelzen bietet bei der Bearbeitung von Metallen zahlreiche Vorteile, die durch eine angepasste Konstruktion voll ausgeschöpft werden können. Vor allem die Herstellung interner, komplexer Konturen – beispielsweise innenliegende Kühlkanäle – oder die Kombination von Baugruppen zu einem Bauteil wird durch den 3D Druck erst möglich und ist mit konventionellen Bearbeitungsstrategien für Fräsen oder Drehen nicht zu realisieren. Im Leichtbau, für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie bringt SLM neben einer deutlichen Gewichtsreduzierung auch eine verbesserte Funktionalität der Produkte mit sich. Insbesondere „organische“ Strukturen nach dem Vorbild der Natur ermöglichen komplett neue Konstruktionsansätze. Zudem können die Bauteile rasch produziert werden, direkt aus dem CAD Modell und können jederzeit einfach angepasst oder verändert werden
Grundlegende Konstruktionsrichtlinien für den 3D Metalldruck
Damit Sie von der erhöhten Wertschöpfung durch den 3D-Druck profitieren, ist eine Sache unbedingt zu verinnerlichen: Das Design der Komponenten darf sich nicht an der subtraktiven, konventionellen Fertigung orientieren! Vielmehr muss das Design für die additive Fertigung im Fokus stehen! Bevorzugen Sie topologisch optimierte Formen oder Freiformflächen und verzichten Sie auf konvergierendes Design, auf gerade Ecken und flache Überhänge. Setzen Sie vielmehr auf Bögen, Ausrundungen und Abschrägungen und ein divergierendes Design. Durch die Vermeidung von großen Flächenänderungen zwischen den einzelnen Schichten unterstützen Sie bereits bei der Konstruktion die rentable, schnelle additive Fertigung. Denken Sie immer daran: Mit einer Verkleinerung der Fläche verringern Sie das Volumen des zu druckenden Körpers! Der Schwerpunkt ihrer Konstruktion muss auf der Funktionalität des Bauteils liegen – und soll nicht von der Herstellbarkeit abhängen, wie das bei der konventionellen Fertigung oft der Fall ist.
Je flacher der Winkel, desto schlechter die Oberflächenqualität
Beim 3D-Metalldruck sind die Winkel der Bauteile bei der Konstruktion besonders zu berücksichtigen. Bei zu flach konstruierten Winkeln unter 45° - die zu nach unten gerichteten Oberflächen führen – sackt die geschmolzene Schicht durch das darunter liegende, lose Pulver. Das führt zur Bildung von Schlacken und beeinträchtigt die Oberflächenqualität deutlich. Weiterhin erfordern flache Winkel den Einsatz von Stützstrukturen. Gestützte Flächen sind drucktechnisch bedingt immer von schlechterer Qualität und sind für hohe Oberflächengüten bestmöglich zu vermeiden. Konstruieren Sie ihre Bauteile daher mit steilen Winkeln größer als 45°, um Schlackenbildung zu vermeiden und mit möglichst wenig Stützstrukturen auszukommen.
Stützstrukturen: Einerseits willkommen, andererseits auch nicht
Stützstrukturen, auch als Supports bezeichnet, bringen Konstrukteure bei der Auslegung von zu druckenden Bauteilen in einen echten Zwiespalt. Denn einerseits verhindern Stützstrukturen die Verformung der Bauteile beim 3D-Druck und minimieren die Schrumpflinie, andererseits leidet die Oberflächenqualität der Bauteile an den Flächen, an denen Stützstrukturen angebracht werden. Nicht zuletzt führen Stützstrukturen zwangsläufig immer zu Nacharbeiten – denn die Supports müssen nach erfolgtem Druck schließlich auch wieder entfernt werden.