Bauen ohne Unterstützung

30. September 2021 | Lesedauer: 5 min

Stützenfreies oder stützenarmes Bauen ist ein heißes Thema im Metallpulverbettschweißen. Der Grund dafür ist offensichtlich: Kostenreduzierung. Die Anzahl der Stützen wirkt sich nicht nur auf die Nachbearbeitung, sondern auch auf die Bauzeit und den Materialverbrauch aus.
 

Ein schrittweiser Leitfaden

Um den Artikel zu strukturieren, werde ich den Ansatz des Design Thinking verwenden. Zunächst möchte ich den Design-Aspekt hervorheben.

Definieren Sie
Um Unterstützungen in Ihrer Bewerbung zu vermeiden, sollten wir uns nach ihrem Zweck fragen. Die drei Gründe für eine Unterstützung sind:

• Wärmeübertragung
• Eigenspannung
• Kräfte des Recoaters

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 Metallpulverbettschmelzen in der Regel ein so genannter kalter Prozess ist, ergeben sich Eigenspannungen aus den Gesetzen der Physik. Spannungen entstehen aufgrund des Temperaturgefälles durch den lokal konzentrierten Energieeintrag sowie durch den Temperaturunterschied zwischen den gerade erstarrten und den bereits abgekühlten Schichten darunter. Auch die Materialschrumpfung wird teilweise durch bereits erstarrtes Material gehemmt und kann zu Verformungen führen.

Anstatt die Ursache der Eigenspannungen durch eine Erhöhung der Fertigungstemperatur (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 Verformung sind. Unten sehen Sie zwei Beispiele, die mit Amphyon von Additive Works simuliert wurden: Eine flache Platte und ein umgedrehter Kegel. Beide Teile haben ähnliche Abmessungen (50 mm Durchmesser vs. 50 x 50 mm). Sie können deutlich sehen, dass der Kegel aufgrund seiner Geometrie weniger Verformung aufweist. Er beginnt an einem Punkt und wächst dann kontinuierlich in z-Richtung. Auch die Kreisform in den x-y-Schichten wirkt selbststabilisierend.

Wiederbeschichtungskräfte: Beim Wiederbeschichten wirken Kräfte auf das Teil ein, während das Pulver verteilt wird. Wenn ein Teil nicht mit der Grundplatte verbunden ist, 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 Teilen eine Option, aber nur ein Hard-Recoater kann eine konstante Schichtdicke garantieren. Die Erfahrung zeigt: Was man mit einem Hartauftragsgerät bauen kann, kann man auch mit einem Weichauftragsgerät problemlos bauen. Deshalb wurde der folgende Versuch mit einer Hartauftragsmaschine (HSS-Klinge) durchgeführt.
 

Ideate
Typische Lösungen zur Verringerung der Auswirkungen von Wiederbeschichtungskräften sind beispielsweise Stützen, die häufig für hohe Zugstangen verwendet werden, um die Stabilität von Druckaufträgen zu erhöhen, indem die Schwingungen der Zugstangen während der Wiederbeschichtung verringert werden. Wenn wir das Konzept der Stützen weiterentwickeln, können wir eine Schale zum Schutz und zur Stabilisierung eines Teils verwenden. Dabei wäre keine Verbindung zur Grundplatte erforderlich.

Um mit einem einfachen Beispiel zu beginnen, können wir mit den Kegeln beginnen. Ein einfacher Boolean mit einem Abstand von 0,2 mm bietet einen Spalt, der groß genug ist, um ein Verschmelzen von Teil und Schale zu verhindern.

Prototyp
Die Kegel wurden auf einem EOS M 290 in EOS Titanium Ti64 gefertigt und waren leicht von Hand abnehmbar.

Man könnte argumentieren, dass das Volumen der Schale größer ist als das Volumen des Teils. Daher ist eine weitere Optimierung erforderlich, um die günstigste Anordnung zu finden. Zunächst muss man nicht das ganze Teil umhüllen, sondern nur einen bestimmten Bereich. Die Reibung zwischen dem Teil und der Schale sollte ausreichen, um es auch bei großen Teilen in Position zu halten. Eine andere Idee ist, Teile zu stapeln und das vorhergehende Teil als Schale für das nächste Teil zu verwenden.

Test
Gehen wir zu einem fortgeschritteneren Entwurf über und integrieren wir sogar Stacking. Da die Weihnachtszeit vor der Tür steht, wie wäre es mit einem Weihnachtsbaum, der mit Siemens NX entworfen und mit nTopology aufgemotzt wurde? 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 sehen, um eine gute Verbindung zu gewährleisten.

Für nTopology-Experten: Nein, ich habe das Gitter nicht als Netz exportiert, das ist nur für die Bilder.

Umsetzung
Mein Artikel behandelte die ersten fünf Schritte von Empathize to Test, aber Additive Minds kann Sie auch bei der Implementierung unterstützen. Es gibt bereits sehr gute Beispiele, die mit minimaler oder gar keiner Unterstützung auskommen.