Grundlegende Konzepte und Herausforderungen von hängenden Strukturen
Unter hängenden Strukturen versteht man Teile, die während des 3D-Druckprozesses nicht durch darunter liegende Materialien gestützt werden. Sie sind ein typisches Merkmal, das die additive Fertigung von der subtraktiven Fertigung unterscheidet. Das FDM-Verfahren verfügt nur über begrenzte Federungsmöglichkeiten und erfordert in der Regel zusätzliche Unterstützung, wenn der Neigungswinkel 45 Grad überschreitet. Das SLA/DLP-Verfahren verfügt über noch schwächere Aufhängungseigenschaften und erfordert eine Unterstützung für nahezu jeden horizontalen Projektionsbereich. Der Metall-SLM-Prozess erfordert außerdem eine große Anzahl von Stützstrukturen, um Wärme zu leiten und die Verformung zu kontrollieren. Eine unsachgemäße Gestaltung der aufgehängten Strukturen kann zu Druckfehlern, einer verminderten Oberflächenqualität und Schwierigkeiten beim Entfernen der Stützen führen. Das Verständnis des Konzepts des selbsttragenden Winkels ist die Grundlage für eine optimale Gestaltung.
Selbstunterstützungswinkelstandards für verschiedene Prozesse
Der Selbstunterstützungswinkel bezieht sich auf den minimalen Neigungswinkel, bei dem eine hängende Struktur ohne zusätzliche Unterstützung erfolgreich gedruckt werden kann. Der selbsttragende Winkel des FDM-Verfahrens beträgt normalerweise 45 Grad. Das heißt, wenn der Winkel zwischen der aufgehängten Oberfläche und der horizontalen Oberfläche nicht weniger als 45 Grad beträgt, kann ein unterstützungsfreier Druck durchgeführt werden. Einige High-End-FDM-Geräte können den Selbststützwinkel durch Optimierung der Kühlung und Extrusionssteuerung auf 50–60 Grad erhöhen. Der selbsttragende Winkel des SLA/DLP-Prozesses ist größer, normalerweise 60–70 Grad. Der selbsttragende Winkel des SLS/SLM-Metallprozesses variiert je nach den thermischen Eigenschaften des Materials und liegt normalerweise im Bereich von 30–45 Grad. Der selbsttragende Winkelstandard muss entsprechend dem bei der Konstruktion verwendeten Verfahren bestimmt werden.
Designstrategie zur Minimierung von Stützmaterialien
Die Reduzierung des Einsatzes von Stützmaterialien kann den Materialverbrauch reduzieren, die Druckzeit verkürzen und Nachbearbeitungsverfahren vereinfachen. Die erste besteht darin, das Teil so auszurichten, dass die Seite mit der größten aufgehängten Fläche zur Druckplattform zeigt, oder die aufgehängte Fläche auf einen steilen Winkel einzustellen. Der zweite Schritt besteht darin, Fasen hinzuzufügen und die aufgehängten scharfen Kanten in Fasen umzuwandeln, damit die Neigung den selbsttragenden Standard erreicht. Die dritte besteht darin, Hohlräume zu konzipieren und die massive Hängekonstruktion in eine Rahmenkonstruktion umzuwandeln, um die horizontale Fläche zu reduzieren, die abgestützt werden muss. Der vierte ist der segmentierte Druck, der komplexe Teile in mehrere Teile aufteilt und diese vor dem Zusammenbau separat druckt. Jedes Teil kann in der optimalen Richtung gedruckt werden. Die fünfte besteht darin, die vorhandene Struktur zu nutzen und die Wände und Rippen der Teile selbst als Stützen während des Entwurfs zu nutzen.
Anwendungskompetenzen löslicher Stützmaterialien
Für hängende Strukturen, bei denen eine Stützung nicht vermieden werden kann, ist die Verwendung löslicher Stützmaterialien eine wirksame Methode, um die Schwierigkeit der Nachbearbeitung zu verringern. Das FDM-Gerät mit zwei Düsen kann die Hilfsdüse zum Drucken von PVA- oder HIPS-Stützen verwenden, während die Hauptdüse Teilematerialien druckt. Nach dem Drucken wird das Teil in Wasser (PVA) oder Limonenlösung (HIPS) getaucht und die Stützstruktur löst sich automatisch auf. Beim Entwurf eines löslichen Trägers sollte auf die Kontaktfläche zwischen Träger und Teil geachtet werden. Ist die Kontaktfläche zu groß, hinterlässt es Spuren, ist die Kontaktfläche zu klein, wird der Träger instabil. Die Einstellung der Stützdichte beeinflusst die Entfernungsgeschwindigkeit und es wird empfohlen, sie auf 10–20 % einzustellen.
Qualitätsprüfung und Verbesserung von Hängekonstruktionen
Nach Abschluss des Druckvorgangs ist eine spezielle Qualitätsprüfung von Hängekonstruktionen erforderlich. Überprüfen Sie zunächst die Durchbiegung der Oberfläche und messen Sie die Abweichung zwischen der tatsächlichen Position der aufgehängten Oberfläche und der geplanten Position. Der Qualifikationsstandard liegt in der Regel bei weniger als dem 2-fachen der Schichtdicke. Zweitens prüfen Sie die Oberflächenrauheit. Die Oberseite der aufgehängten Oberfläche ist normalerweise rauer als die Seitenoberfläche. Es muss evaluiert werden, ob es den Nutzungsanforderungen entspricht. Drittens überprüfen Sie die Kantenschärfe. An den hängenden Kanten können abgerundete Ecken oder Grate vorhanden sein, die eine Nachbearbeitung und einen Beschnitt erfordern. Bei unqualifizierten Hängekonstruktionen müssen die Gründe analysiert und die Design- oder Druckparameter optimiert werden. Zu den üblichen Verbesserungen gehören das Anpassen der Druckrichtung, das Hinzufügen von Stützen oder das Reduzieren der Druckgeschwindigkeit.
Reichen Sie ein Modell, eine Zeichnung, ein Bild oder schriftliche Notizen ein. Ingenieure prüfen Material, Verfahren, Endbearbeitung und Lieferung basierend auf der tatsächlichen Anwendung.