Einleitung: Der erste Schritt, der das „Schicksal“ eines Bauteils bestimmt
Bei Verfahren wie dem metallischen Pulverbettverfahren mit Laserstrahlschmelzen (LPBF) oder der Stereolithografie (SLA) kann allein eine geänderte Ausrichtung derselben Modelldatei im Bauraum die Zugfestigkeit, Maßgenauigkeit, Supportmenge und Stückkosten deutlich verändern. In der Praxis wird die Druckrichtung häufig nach der Modellierung und vor dem Slicing eher beiläufig festgelegt, bestimmt jedoch direkt die Grenzen aller nachfolgenden Prozessfenster. Dieser Artikel stellt entlang der vier Hauptlinien Anisotropie, Stützstrukturen, Genauigkeit und Kosten eine praxisnahe Methode zur Optimierung von Druckrichtung und Bauteilplatzierung vor.
1. Anisotropie: Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften
Metallteile, die durch selektives Laserschmelzen (SLM) hergestellt werden, weisen eine ausgeprägte Anisotropie auf. Am Beispiel von 316L-Edelstahl liegt die Zugfestigkeit in Baurichtung (Z-Richtung) typischerweise etwa 5–12 % unter der in horizontaler Richtung (XY-Richtung); die Unterschiede bei der Dehnung können mehr als 20 % betragen. Ursache ist das Wachstum säulenförmiger Körner entlang der Wärmestromrichtung während des schichtweisen Aufschmelzens und Erstarrens. Wenn die Lastrichtung senkrecht zu den Schichtgrenzen verläuft, werden unvollständig verschmolzene Bereiche und Korngrenzen bevorzugte Pfade für die Rissausbreitung.
Für kritische Bereiche, die überwiegend Zug- oder Ermüdungslasten tragen, sollte die Hauptspannungsrichtung daher möglichst parallel zur Pulverbettebene liegen – mit anderen Worten: Die Schichtlinien sollten der Belastungsrichtung ausweichen. Bei Kragarmen oder schlanken Wellenbauteilen ist eine Ausrichtung der Längsachse in etwa 45° zur Bauplattform häufig ein Kompromiss zwischen Festigkeit und Supportmenge, nicht zwingend der Punkt maximaler Festigkeit. Dies muss anhand von FEM-Ergebnissen beurteilt werden und lässt sich nicht pauschal festlegen.
2. Stützstrukturen und Entfernbarkeit
Die Bauteilausrichtung bestimmt direkt Fläche und Winkel überhängender Bereiche. In der Praxis gelten Überhänge von mehr als 45° relativ zur Bauplattform meist als supportpflichtig. Wird ein Bauteil „flach gelegt“, kann dies die Projektion von Überhängen in Z-Richtung verringern, vergrößert jedoch die Kontaktfläche zur Bauplattform und führt dadurch zu höheren thermischen Spannungen sowie schwerer entfernbaren Supports. Bei innenliegenden Kanälen, konturnahen Kühlkanälen und anderen Strukturen, bei denen Stützmaterial nicht mechanisch entfernt werden kann, sollte die Ausrichtung so gewählt werden, dass die Kanalachse möglichst nahe an der Vertikalen liegt. So können Supports im Inneren durch Spülen, Erosion oder Kaltziehen entfernt werden.
Wichtig ist: Supports sind nicht nur „Platzhalter“, sondern dienen zugleich als Wärmeableitung. Dichte Stützstrukturen beschleunigen die lokale Abkühlung und reduzieren Verzug, erhöhen jedoch den Aufwand in der Nachbearbeitung. Die Optimierung der Ausrichtung muss daher sowohl „druckbar“ als auch „nachbearbeitbar“ berücksichtigen, statt nur auf das Supportvolumen zu achten.
3. Maßgenauigkeit und Verzug
Die Ansammlung thermischer Spannungen zwischen den Schichten kann dazu führen, dass sich Bauteile nach dem Lösen von der Bauplatte verziehen. Bei länglichen Bauteilen, die entlang ihrer Länge und parallel zur Beschichterbewegung angeordnet werden, konzentriert sich die Schrumpfung in einer Richtung; der Verzug ist dabei meist geringer als bei einer Ausrichtung entlang der Breite. Präzisionsrelevante Merkmale wie Passflächen oder Führungsflächen sollten möglichst senkrecht oder nahezu senkrecht zur Bauplattform positioniert werden, damit sie während des Bauprozesses nicht zu großflächigen, freitragenden Dünnwänden werden.
Auch die Position im Bauraum beeinflusst die Genauigkeit: In Bereichen nahe dem Rand der Bauplatte sind Gasströmung und Temperaturfeld weniger homogen, wodurch Maßabweichungen meist größer sind als im Zentrum. Bei der Serienverschachtelung sollten Bauteile mit den strengsten Toleranzanforderungen in der Mitte des Bauraums platziert und Randbereiche mit optischen Verzerrungen des Laserpfads vermieden werden.
4. Kosten und Kapazität: Die wirtschaftliche Rechnung der Ausrichtung
Die Ausrichtung beeinflusst die Stückkosten über drei Variablen: Bauhöhe, Supportmenge und Nachbearbeitungszeit. Wird dasselbe Bauteil in Z-Richtung gestapelt, steigen Schichtzahl und gesamte Bauzeit, was die Maschinenkosten direkt erhöht. Eine sinnvolle flachere Ausrichtung kann dagegen die Bauhöhe deutlich senken und die Zykluszeit pro Teil verkürzen. In der Serienfertigung lässt sich durch Nesting und Höhenabgleich mehrerer Bauteile die Ausnutzung des Z-Bauraums von 40 % auf über 70 % steigern.
„Je niedriger, desto besser“ gilt jedoch nicht absolut: Zu starkes Abflachen kann großflächige Supports und zusätzlichen Schleifaufwand verursachen. In der Praxis wird als Ziel für die Bauteilausrichtung meist die Minimierung der Summe aus Maschinenzeitkosten, Support- und Nachbearbeitungskosten sowie Ausschussverlusten angesetzt, statt nur eine einzelne Größe zu optimieren.
5. Entscheidungsunterstützung: Von Erfahrung zu berechenbaren Prozessen
Die ausgereifte Orientierungsoptimierung hat sich von der reinen Erfahrung erfahrener Fachkräfte hin zu berechenbaren Abläufen entwickelt: Anisotrope Materialmodelle und thermomechanisch gekoppelte Simulationen sagen Verformungen voraus; Supportvolumen, Bauhöhe und maximaler Überhangwinkel dienen als Randbedingungen für eine Mehrzieloptimierung. Einige CAM-Programme verfügen bereits über integrierte Funktionen zur automatischen Orientierung, die Kandidatenausrichtungen ausgeben und nach einer Gesamtbewertung sortieren. Empfehlenswert ist, die Kandidaten auf 3–5 Optionen zu begrenzen und sie anschließend manuell mit einer Bewertungstabelle zu prüfen, die Festigkeitsrichtung, Supportvolumen, Z-Höhe und Nachbearbeitungsschwierigkeit umfasst. So lässt sich vermeiden, dass der Algorithmus eine Lösung liefert, die zwar druckbar ist, deren Supports aber praktisch nicht entfernt werden können.
6. Häufige Irrtümer und Checkliste
Reichen Sie ein Modell, eine Zeichnung, ein Bild oder schriftliche Notizen ein. Ingenieure prüfen Material, Verfahren, Endbearbeitung und Lieferung basierend auf der tatsächlichen Anwendung.