6 Wichtige Design-Überlegungen für den Metall-3D-Druck

Der Metall-3D-Druck ist auf dem Vormarsch. Der Absatz von Metall-AM-Systemen wird ab 2017 explosiv um 80% wachsen. Der 3D-Metalldruck bietet eine beispiellose Gestaltungsfreiheit und gibt Designern und Ingenieuren die Möglichkeit, organische Formen und leichte Strukturen zu schaffen ansonsten mit traditionellen Herstellungsmethoden unmöglich. Um jedoch das volle Potential des 3D-Druckens von Metall wirklich auszuschöpfen und wettbewerbsfähig zu bleiben, ist es wichtig zu verstehen, wie man die von der Technologie gebotenen Konstruktionsfähigkeiten optimal nutzt. Da traditionelle Designregeln nicht mehr angewendet werden können, ist ein neuer Designansatz für den Metall-3D-Druck erforderlich. Aus diesem Grund haben wir unsere wichtigsten Design-Überlegungen für den 3D-Metalldruck zusammengestellt, damit Sie Ihre Metallteile optimal nutzen können.

6 Punkte, die Sie beachten sollten wenn Sie Ihr Metallteil entwerfen

1. Wandstärke

Einer der wichtigsten Punkte, die beim Entwerfen für den Metall-3D-Druck berücksichtigt werden müssen, ist die Wanddicke. Als allgemeine Faustregel wird empfohlen, Wände mit einer Mindestwandstärke von 0,4 mm zu entwerfen. Es ist darauf zu achten, dass die Wandstärke Ihrer Teile nicht zu dünn oder zu dick ist, da dies zu einem empfindlichen Druck oder einer Ansammlung von inneren Spannungen führen kann, die zu Rissen führen können. Obwohl feinere Funktionen möglich sind, hängt dies stark vom gewählten Metallmaterial und den Parametern Ihres Druckers ab. Vielleicht möchten Sie auch bei dicken Wänden mit Gitter- oder Wabenstrukturen experimentieren, da Sie dadurch viel Material einsparen und die Bauzeit reduzieren können.  

2. Unterstützungsstrukturen

Bei Metall-3D-Druck sind Stützstrukturen praktisch immer eine Notwendigkeit. Während es ideal ist, ein Teil mit der geringsten Anzahl von erforderlichen Stützen zu entwerfen, sind sie für Bereiche wie Löcher, Winkel und Überhänge erforderlich. Stützen dienen auch dazu, ein Metallteil an der Grundplatte zu verankern, um Wärme abzuleiten, was zu Eigenspannungen führen kann. Die Faustregel für Stützen in den inneren Bereichen eines Teils, wie horizontale Löcher, besteht darin, abgewinkelte Stützstrukturen zu entwerfen. Durch die Anwendung dieser Strukturen können Sie die Kontaktfläche mit Trägern minimieren, was wiederum zu weniger Nachbearbeitung führt. Außerdem sollten Sie Ihre Halterungen so gestalten, dass sie beim Kontakt mit dem Teil auslaufen. Dies erleichtert das Entfernen der Träger und das Glätten der Oberfläche. Leichte, röhrenförmige Stützstrukturen werden auch viel weniger Zeit und Mühe benötigen, um entfernt zu werden.  

3. Überhänge und selbsttragende Winkel

Manchmal müssen Sie ein Metallteil mit Überhängen entwerfen - die hervorstehenden Teile Ihres Drucks. Große Überhänge (typischerweise über 1 mm) erfordern Stützstrukturen, um zu verhindern, dass sie während des Druckvorgangs kollabieren. Die maximale Länge eines nicht unterstützten horizontalen Überhangs beträgt 0,5 mm und es ist wichtig, dass Ihre Überhänge unter dieser Länge bleiben. Fillets und Fasen können zu einem Teil gestaltet werden, um diese Überhänge zu beseitigen. Neben der Länge ist auch der Winkel Ihrer Überhänge zu berücksichtigen. Ein Winkel unter 45 Grad erfordert typischerweise Stützstrukturen.

4. Teilorientierung

Das Experimentieren mit der Teileausrichtung ist der beste Weg, um die Anzahl der benötigten Stützstrukturen zu minimieren. Wenn Sie beispielsweise ein Metallteil mit hohlen Rohrelementen herstellen möchten, nimmt die horizontale Ausrichtung mehr Platz in Anspruch, während eine vertikale oder gewinkelte Ausrichtung Platz spart und die Anzahl der erforderlichen Halterungen reduziert. Eine weitere Überlegung, die bei der Auswahl der Ausrichtung des Teils zu berücksichtigen ist, besteht darin, dass nach unten und nach oben weisende Oberflächen eine unterschiedliche Oberflächenrauhigkeit aufweisen (sogenannte Daunen-Häute haben tendenziell eine schlechtere Oberflächenbeschaffenheit). Wenn Sie detaillierte Merkmale mit der besten Genauigkeit erzeugen möchten, achten Sie darauf, diese auf der nach oben weisenden Oberfläche des Teils auszurichten.  

5. Kanäle und Löcher

Die Herstellung von Metalladditiven zeichnet sich durch ihre Fähigkeit aus, Teile mit Kanälen und Löchern zu produzieren, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht erreicht werden können. Berücksichtigen Sie bei der Berücksichtigung solcher Merkmale in Ihrem Design, dass der Mindestdurchmesser für die meisten Pulverbettprozesse 0,4 mm beträgt. Löcher und Rohre mit einem Durchmesser von mehr als 10 mm erfordern Stützstrukturen. Außerdem sind perfekt runde horizontale Löcher immer noch eine Herausforderung für den 3D-Druck. Denken Sie darüber nach, solche Formen in eine selbsttragende Tropfen- oder Rautenform umzuwandeln. Da hohle Metallteile zum Entfernen von ungeschmolzenem Pulver Ausweichlöcher benötigen, achten Sie darauf, diese in Ihrem Design zu berücksichtigen, mit einem empfohlenen Durchmesser von 2-5 mm.  

6. Topologieoptimierung & Generatives Design

Die Fähigkeit, komplexe Geometrien mithilfe der additiven Fertigung herzustellen, macht es ideal für die Topologieoptimierung und das generative Design. Die Topologieoptimierung zielt darauf ab, die Geometrie und Materialverteilung eines Teils mit mathematischen Berechnungen zu optimieren. Generatives Design hingegen ist inspiriert von den Entwurfsmustern der Natur und ermöglicht Ingenieuren, alle möglichen Elemente einer Lösung zu erforschen. Mit diesen Werkzeugen können Konstrukteure und Ingenieure die gesamte Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks erweitern, um funktional optimierte, starke und leichte Metallteile zu schaffen.

Das Design-Paradigma verschieben, um das Beste aus Metall AM zu machen

Das Design für den 3D-Druck von Metall ist keine leichte Aufgabe, da es Kenntnisse über die Möglichkeiten und Grenzen der AM-Metalltechnologien und -materialien sowie einen neuen Designansatz erfordert. Durch die Untersuchung und Integration von Konstruktionsrichtlinien von Anfang an wird es Unternehmen jedoch gelingen, den Erfolg bei der Produktion von Endmetallteilen zu maximieren und gleichzeitig Kosten und Materialverluste auf ein Minimum zu reduzieren.