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    Bauen ohne Stützstrukturen

    Schritt für Schritt

Mit nur wenigen oder sogar ohne Stützstrukturen zu bauen, ist beim selektiven Metall-Laser-Schmelzen ein heißes Thema. Der Grund hierfür ist klar: Es geht um Kostenreduzierung. Die Anzahl der Stützen wirkt sich nicht nur auf die Nachbearbeitung, sondern auch auf die Bauzeit und den Materialverbrauch aus.

Michael Wohlfart
Key Account Manager Industrial Solutions
EOS GmbH

Beobachten

Zur Strukturierung dieses Artikels nutze ich den Ansatz des Design Thinkings. Dazu möchte ich an dieser Stelle zunächst den Designaspekt betonen.

Definieren

 

Um Stützstrukturen bei Ihrem Anwendungsfall zu vermeiden, sollten wir uns ihren Zweck bewusst machen. Die drei Gründe für Stützstrukturen sind:

  • Wärmeübertragung
  • Eigenspannung
  • Beschichtungskräfte

Wärmeübertragung: Aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit von Pulver im Vergleich zu festen Materialien muss der Energieeintrag in überhängenden Bereichen angepasst werden. Wie ich im vorherigen Artikel gezeigt habe, kann das Thema Wärmeübertragung mit einer angepassten DownSkin-Belichtungsstrategie und optimierten Prozessparametern entschärft werden.

Eigenspannung: Da das selektive Metall-Laser-Schmelzen ein sogenanntes kaltes Verfahren ist, sind Eigenspannungen das Ergebnis der physikalischen Gesetze. Eigenspannungen entstehen durch das Temperaturgefälle aufgrund des lokal konzentrierten Energieeintrags sowie durch den Temperaturunterschied zwischen den gerade erstarrten Schichten und den bereits abgekühlten Schichten darunter. Auch die Materialschrumpfung wird durch bereits erstarrtes Material teilweise verhindert und kann zu Verformungen führen.

Anstatt die Ursache der Eigenspannungen durch eine Erhöhung der Bautemperatur (mit dem Nachteil einer erhöhten Sauerstoffaufnahme) oder durch spezielle Scan-Strategien (mit Nachteilen für die mechanischen Eigenschaften oder die Produktivität) zu bekämpfen, ist es einfacher, die auftretenden Effekte zu kompensieren. Lösungen sind Vorverformung oder – wenn möglich – Designs, die weniger anfällig für Verformungen sind. Unten sehen Sie zwei Beispiele, die mit Amphyon von Additive Works simuliert wurden: eine flache Scheibe und ein umgedrehter Kegel. Beide Teile haben ähnliche Abmessungen (50 mm Durchmesser vs. 50 x 50 mm). Sie können deutlich erkennen, dass der Kegel aufgrund seiner Geometrie weniger Verformungen aufweist. Die Verformung beginnt an einem Punkt und wächst dann kontinuierlich in z-Richtung. Auch die Kreisform in x-y-Schichten wirkt selbststabilisierend.

Beschichtungskräfte: Während der Beschichtung und des Auftragens des Pulvers wirken Kräfte auf das Bauteil ein. Ist ein Teil nicht mit der Grundplatte verbunden, wird es vom Recoater weggewischt. Je nach Geometrie und Verfahren können diese Kräfte größer oder kleiner sein. Der Einsatz eines Soft-Recoaters ist vor allem bei filigranen Werkstücken eine Option. Allerdings kann nur ein harter Beschichter eine konstante Schichtdicke garantieren. Die Erfahrung zeigt: Was man mit einem Hartbeschichter bauen kann, lässt sich auch mit einem Weichbeschichter problemlos umsetzen. Deshalb wurde der folgende Versuch mit einem harten Recoater (HSS-Klinge) durchgeführt.

Ideen entwickeln

 

Typische Lösungen zur Verringerung der Auswirkungen von Beschichtungskräften sind beispielsweise Prop-Stützen, die häufig für lange Zugstäbe verwendet werden, um die Stabilität von Druckaufträgen zu erhöhen, indem die Schwingungen der Zugstäbe während der Beschichtung verringert werden. Wenn wir das Konzept der Prop-Stützen weiterentwickeln, können wir eine Schale zum Schutz und zur Stabilisierung eines Bauteils verwenden. Dabei wäre keine Verbindung zur Grundplatte erforderlich.

Um mit einem einfachen Beispiel zu beginnen, nehmen wir die Kegel. Ein einfacher Boolean mit einem Abstand von 0,2 mm ergibt einen Spalt, der groß genug ist, um ein Verschmelzen von Teil und Schale zu verhindern.

Prototyping

 

Die Kegel wurden aus EOS Titanium Ti64 auf einer EOS M 290 gebaut und ließen sich leicht von Hand abnehmen.

Man könnte argumentieren, dass das Volumen der Schale größer ist als das Volumen des Bauteils selbst. Es muss also weiter optimiert werden, um das beste Set-up zu finden. Zunächst einmal sollte man nicht das ganze Bauteil umhüllen, sondern nur einen bestimmten Bereich am Anfang. Die Reibung zwischen dem Teil und der Schale sollte ausreichen, um auch große Bauteile in Position zu halten. Eine andere Idee wäre es, Teile zu stapeln und das vorhergehende Teil als Schale für das nächste Teil zu verwenden.

Testen                                                    

 

Gehen wir zu einem komplexeren Design, zu dem sogar Stapel gehören, über. Da die Weihnachtszeit vor der Tür steht: Wie wäre es mit einem Weihnachtsbaum, der mit Siemens NX entworfen und mit nTopology aufgehübscht wird? Wenn man ihn auf den Kopf stellt, ist der Baum selbsttragend und der Baumstamm kann als Schale für den nächsten Baum dienen. Sie können eine kleine Überlappung von 0,1 mm in x-y-Richtung zwischen dem Gitter und den massiven Teilen erkennen. So wird eine gute Verbindung gewährleistet. Und für die nTopology-Experten: Nein, ich habe das Gitter nicht als Netz exportiert, das ist nur für die Bilder.

Implementierung

 

Mein Artikel behandelt die ersten fünf Schritte vom Beobachten bis zum Testen. Aber das Team von Additive Minds unterstützt auch bei Implementierung. Es gibt bereits großartige Beispiele, die nur minimale oder gar keine Stützstrukturen benötigen. 

Ich bin neugierig darauf, was Sie erreichen wollen  und was wir gemeinsam erreichen können

Michael Wohlfart
Key Account Manager Industrial Solutions
EOS GmbH