Wie der 3D-Druck mit Metall die Teilekonstruktion neu definiert
Direktes Metall Lasersintern verschafft allen, die die traditionelle Teilekonstruktion überdenken möchten eine nie dagewesene Freiheit.
Eine der grundlegendsten Regeln bei der Fertigung lautet: Mit steigender Teilekomplexität steigen auch die Bearbeitungs- und Montagekosten. Was wäre jedoch, wenn es ein anderes Verfahren zur Herstellung von Metallteilen gäbe – eines mit weniger Einschränkungen als bei herkömmlichen Fräs-, Dreh- und Schleifverfahren, mit dem sich komplexe Teile in kürzerer Zeit und mit wenigen menschlichen Eingriffen bauen ließen?
Diese Abbildung zeigt den Prozess des direkten Metall Lasersinterns (DMLS)
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Beim DMLS werden Teilemodelle in hauchdünne Schichten zerlegt und anschließend mit einem Laser in einem Bett aus pulverförmigem Aluminium, Titan, Edelstahl oder Warmarbeitsstahl „gezeichnet“. Beginnend mit der untersten Schicht wird jedes Metallpartikel mit den umliegenden Partikeln verschmolzen. Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das Teil komplett ist. Das Ergebnis ist ein vollständig dichtes Metallprodukt, dessen mechanische Festigkeit und Ermüdungsverhalten sich kaum von einem bearbeiteten Produkt aus vergleichbaren Schmiede- oder Gussmaterial unterscheiden oder sogar noch besser ausfallen. Gleichzeitig wird es mit minimalen Werkzeugkosten, deutlich kürzeren Einrichtzeiten und wenig Abfall hergestellt.
Wenn Sie auf den DMLS-Express aufsteigen möchten, gibt es ein paar Dinge, die Sie vorher wissen sollten. Obwohl mit der Technologie vollständig dichte Teile aus korrosionsbeständigen Metallen mit hoher Festigkeit hergestellt werden, sind bestimmte Merkmale anfällig für ein Verformen und Zusammenrollen des Teils, wenn es während des Bauprozesses nicht ausreichend unterstützt wird. Mit der Gestaltung von Stützkonstruktionen müssen Sie sich als Produktdesigner oder Ingenieur nicht unbedingt befassen. Sie sollten jedoch wissen, dass manche Formen außergewöhnlich schwer zu bauen sind und die Kosten sich durch eine leichte Änderung Ihres Teiledesigns senken lassen, während die Produktqualität sich verbessert.
Das ABC lernen
Nehmen wir als Beispiel das Alphabet. Einer der großen Vorteile von DMLS ist, dass man eine Reihe unterschiedlicher Komponenten in einem Bauvorgang drucken kann – vorausgesetzt sie passen in die Prozesskammer der Maschine. Bei Protolabs entspricht dies einem Volumen von ungefähr 250 mm x 250 mm x 250 mm.
Beginnen wir mit dem Buchstaben A. Wenn der horizontale Querstrich nicht weniger als 2 mm misst, werden unterhalb vertikale Stützen benötigt, um Verformungen zu verhindern. Kein Problem. Es wird jedoch nicht ganz billig, diese Stützen nach dem Bau durch Schleifen oder Bearbeiten zu entfernen. Mit dem T verhält es sich ähnlich: Ohne Stützen unter dem hervorstehenden oberen Bereich wird es sich zusammenrollen wie ein Kartoffelchip. Die Buchstaben B, D, P und R sind besonders problematisch, da die Stützen im Inneren des Teils verbleiben, wo sie sehr schwer zu entfernen sind. Bei gekrümmten Formen wie O und Q verhält es sich nicht anders, außer die Buchstaben sind relativ klein und haben etwa den Durchmesser eines Strohhalms. So ziemlich die einzigen Buchstaben, die keine Form von Stützen benötigen, sind X und Y, sofern die Arme mindestens 45 Grad von der Horizontalen abgewinkelt sind.
Im obigen Beispiel des Alphabets steht der Buchstabe A für ein Teil mit einem waagerechten Querbalken. Wenn dieser Querbalken nicht weniger als 2 mm lang ist, werden darunter vertikale Stützen benötigt, um Verformungen zu verhindern, wie dieses Beispiel zeigt.
Den richtigen Weg finden
Warten Sie kurz – warum legen Sie die Buchstaben nicht einfach auf den Rücken? „Heureka“ werden Sie sagen und früher Feierabend machen. In diesem Fall sind alle Wände des Buchstabens senkrecht und die einzige benötigte Stütze ist eine Reihe miteinander verbundener senkrechter Klammern zwischen der Unterseite jedes Buchstabens und der DMLS-Bauplattform. Es gleicht ein bisschen dem Gerüst, das Bauarbeiter bei einer Gebäudesanierung unterstützt. Die Klammern sind nach Fertigstellung des Bauteils leicht zu entfernen und vermeiden den direkten Kontakt mit großen, flachen Teileoberflächen, die sich verformen oder die Bauplattform beschädigen können. Dieser Ansatz sorgt außerdem für eine optimale Oberflächenveredelung, da die Rauheit zunimmt, je mehr die Wände bei DMLS-Druckteilen von der Vertikalen abweichen und schräge, nach unten weisende Flächen am rauesten ausfallen.
Weitere Überlegungen sollten hinsichtlich der Wandstärke angestellt werden. Bei dünnen Wänden von weniger als 1 mm darf das Verhältnis zwischen Wandhöhe und Wandstärke maximal 40:1 betragen, da die Struktur ansonsten einstürzen kann. Am anderen Ende des Spektrums sind sehr dicke Wände verschwenderisch und benötigen eine lange Bauzeit. Es ist besser, sie mit einer Waben- oder Gitterstruktur auszuhöhlen, um so die Materialkosten und die Bearbeitungszeit zu reduzieren und gleichzeitig die strukturelle Stabilität zu bewahren.
Gitterstrukturen sind tatsächlich einer der besten Tricks, den additive Zauberkünstler auf Lager haben. Sie lassen sich praktisch unmöglich mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren herstellen, sind jedoch beim DMLS-Verfahren recht einfach zu handhaben. Ebenso verhält es sich mit baumartigen Strukturen, leicht gedrehten Muschelformen und anderen organischen Formen, die alle mittels 3D-Druck kostengünstig herzustellen sind. Es braucht nur etwas Fantasie und die richtige CAD-Software.
Noch eine letzte Überlegung gibt es: Auch wenn Protolabs Produktdesigner und Ingenieure ermuntert, über den eigenen Tellerrand zu schauen, ist es wichtig, stets das Ziel vor Augen zu haben. DMLS bietet zwar die Möglichkeit, die Grenzen des Designs von Prototypen und Kleinserienteilen zu erweitern, ist aufgrund von wirtschaftlichen Faktoren jedoch noch nicht für die Massenproduktion geeignet. Es ist daher eine hervorragende Idee, den gesamten Produktlebenszyklus jemandem, der sich mit allen Bereichen der Fertigung auskennt zu erklären, um das Produkt nicht versehentlich zu entwickeln, um anschließend festzustellen, dass es nicht über eine Stückzahl von einigen hundert Teilen hinaus skalierbar ist.