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Abstützung beim 3D-Druck: Eine Technologie-Übersicht

Geschrieben von Perry Cain

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Supports in 3D Printing: A technology overview

Einführung

Da gedruckte 3D-Teile Schicht für Schicht aufgebaut werden, ist eine vorherige Schicht erforderlich, auf der man aufbauen kann. Abhängig von der spezifischen 3D-Druck Technologie und der Komplexität des 3D-Modells kann dies bedeuten, dass ein 3D-Druck Stützstrukturen benötigt.

Bei der Überlegung, mit welcher Technologie ein 3D-Modell gedruckt werden soll, ist es wichtig, Stützstrukturen zu berücksichtigen und wie sie das Endergebnis beeinflussen können. Stützstrukturen wirken sich auf die Oberflächenbeschaffenheit aus, da sie nachbearbeitet werden müssen, was zu Fehlern oder Oberflächenrauhigkeit führt.

In diesem Artikel wird erörtert, wie Abstützungen für die einzelnen 3D-Drucktechnologien implementiert werden und wie sich die Verwendung von Abstützungen auf den Entscheidungsfindungsprozess beim Design auswirken kann.

Unterstützt in FDM

Fused Deposition Modeling (FDM) extrudiert einen geschmolzenen Faden auf eine Aufbauoberfläche entlang eines vorbestimmten Pfades. Beim Extrudieren des Materials kühlt es ab und bildet eine feste Oberfläche, die die Grundlage für die nächste Materialschicht bildet, auf der aufgebaut werden soll. Dies wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das Objekt fertiggestellt ist.

Wann wird im FDM Abstützung benötigt?

Beim FDM-Druck wird jede Schicht als ein Satz erhitzter Filamentfäden gedruckt, die an den Fäden unter und um sie herum haften. Jeder Faden wird leicht versetzt zu seiner vorhergehenden Schicht gedruckt. Dies ermöglicht den Aufbau eines Modells bis zu einem Winkel von 45°, wodurch sich die Drucke über die Breite der vorherigen Schicht hinaus ausdehnen können.

Wenn ein Feature mit einem Überhang von mehr als 45° gedruckt wird, kann es durchhängen und erfordert Abstützungsmaterial darunter, um es aufrecht zu halten. Weitere Informationen zu Überhängen und FDM finden Sie hier.

Abhängig vom Grad des Überhangs kann Ihr FDM-Druck Abstützung benötigen

Überbrückung vs. Abstützung

Es gibt eine Ausnahme von dieser Regel:

Heißes Material kann über kurze Entfernungen zwischen zwei Punkten in einer Methode, die als Überbrückung bekannt ist, gedehnt werden. Die Überbrückung ermöglicht es, Material ohne Abstützung und mit minimalem Durchhang zu drucken. Wenn eine Brücke mehr als 5 mm lang ist, ist im Allgemeinen eine Abstützung erforderlich, um eine genaue Oberflächengüte zu erzielen.

Weitere Informationen zu Bridging und FDM finden Sie hier.

Die ABCs (oder YHTs) von FDM unterstützen

Betrachten Sie die Buchstaben Y, H und T sowie einen Satz von zugehörigen 3D-Modellen.

Die folgende Abbildung zeigt YHT mit dem hellgrau dargestellten Trägermaterial.

Eine visuelle Illustration der Stützstrukturen, die für den Druck eines Y, H & T mit FDM benötigt werden.

So sehen die YHTs beim Drucken aus. Die folgende Abbildung zeigt nun das Ergebnis des ohne Abstützung gedruckten T. Die Oberfläche ist stark abgesackt und erfordert eine große Menge an Nachbearbeitungen zur Reinigung.

Y, H, und T mit FDM mit Abstützung gedruckt
Der Buchstabe T schlägt fehl, wenn er mit FDM ohne jegliche Stützstruktur gedruckt wird

Die Nachteile des FDM-Abstützungsmaterials

Eine der Einschränkungen bei der Verwendung des Supports im FDM-Druck ist, dass immer eine Nachbearbeitung erforderlich ist, die zu Markierungen oder Beschädigungen der mit dem Support in Kontakt stehenden Oberfläche führt.

Ein weiteres Problem ist, dass die auf den Träger gedruckten Schichten weniger perfekt sind, da der Träger etwas weniger stationär ist als die festen Schichten.

Es kann auch schwierig sein, die Abstützung von kleinen, komplizierten Merkmalen zu entfernen, ohne das Modell zu zerstören.

Darüber hinaus erfordert die Abstützung zusätzliches Druckmaterial und verursacht daher zusätzliche Kosten. Die Abstützung muss ebenfalls entfernt werden, wodurch mehr Arbeit für den 3D-Druckdienstleister entsteht, was ebenfalls die Gesamtkosten des Druckauftrags erhöhen kann.

Puzzleteil mit entfernter Abstützung, das Oberflächenrauhigkeit zeigt.

Wie viel Abstützung wird für meinen FDM-Druck benötigt?

Das untenstehende Bogenbeispiel erfordert nur eine begrenzte Menge an Abstützung, die an der richtigen Stelle platziert werden muss, damit es genau gedruckt werden kann.

Der Bogen des St. Louis Gateway Arch zeigt das perfekte Beispiel für die Verwendung einer Stütze mit einem bogenförmigen Objekt.

Die unten gezeigte "Kugel im Würfel" ist ein Beispiel, das viel Abstützung erfordert.

Das Entfernen der Stütze in diesem Beispiel ist komplex und beinhaltet das Entfernen jedes Stützelements mit einer Spitzzange, wobei versucht wird, die Beschädigung der die Stütze umgebenden Oberflächen zu begrenzen. Auch das Schleifen oder Glätten der Oberfläche nach dem Entfernen des Trägers ist sehr schwierig.

Ohne unterstützendes Material kann dieses Modell einfach nicht in FDM gedruckt werden, ohne Kompromisse bei Qualität und Genauigkeit einzugehen. In diesem Fall ist - trotz der zusätzlichen Kosten und der zusätzlichen Druckzeit - das zusätzlich verwendete Abstützungsmaterial für die Fertigstellung des Drucks unerlässlich.

Nahaufnahme des Drucks 'Ball in a Cube', der die benötigte Stützstruktur zeigt.

Zwei Arten von FDM-Abstützung

FDM-Druckverfahren nutzen zwei Arten von Abstützung:

Der Druckerbetreiber wird im Allgemeinen die Art der Abstützung festlegen, die am besten zu Ihrer Anwendung passt und somit die ästhetischen Auswirkungen auf Ihr Design minimiert.

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Zwei verschiedene Arten von Abstützungsstrukturen: Akkordeonstütze (links) und Baumstütze (rechts).

Auflösbare Abstützung

Auf fein abgestimmten Druckern mit zwei Druckköpfen kann das Trägermaterial mit einem auflösbaren Material bedruckt werden, das sich nicht von dem Teil löst, sondern sich in einer chemischen Lösung auflöst, die das Hauptmaterial des gedruckten Modells nicht beeinträchtigt.

Dies führt zu einer besseren Oberflächenbeschaffenheit, wenn der Träger mit dem Hauptmaterial in Berührung kommt, kann aber eine teure und zeitaufwändige Lösung sein.

Ein Beispiel dafür ist die Ultimaker 3-Maschine, die mit einem in PVA gedruckten Träger arbeitet, der sich nach dem Druck leicht auflösen lässt. Alle industrial FDM-Maschinen verwenden eine lösbare Abstützung.

SLA- und DLP-Abstützungsstrukturen

Stereolithographie (SLA) und Digitale Lichtverarbeitung (DLP) erzeugen 3D-Druckobjekte aus einem flüssigen (Photopolymer-)Harz, indem sie eine Lichtquelle verwenden, um das flüssige Material zu verfestigen.

Abhängig vom genauen Druckertyp bedeutet dies, dass das Modell entweder aus einer Wanne mit flüssigem Material herausgezogen wird, während es durch ein lichtdurchlässiges Fenster von unten durch eine Lichtquelle verfestigt wird (von unten nach oben), oder dass es in die Flüssigkeit eingetaucht wird, während die obere Schicht von oben durch eine Lichtquelle behandelt wird (von oben nach unten).

SLA-Druckverfahren

Wann wird Abstützung in SLA & DLP benötigt?

Um sicherzustellen, dass die Drucke an der Druckplattform haften und nicht in der Wanne herumschwimmen, müssen SLA- und DLP-Drucker in fast allen Fällen unterstützt werden.

Die Stützstrukturen dieser Drucker sehen wie dünne Rippen aus, wobei nur kleine Spitzen das Modell tatsächlich berühren, um Material und Druckzeit zu sparen. Die Anzahl der Stützen, ihre Lage, wo sie das Modell und die Struktur berühren, wird von der Software berechnet und hängt von der Form, der Ausrichtung und dem Gewicht des zu druckenden Teils ab.

SLA und DLP gehören zu den präzisesten Technologien, die selbst kleinste und komplizierteste Objekte detailgetreu drucken können. Bei korrekter Nachbearbeitung hat die Verwendung von Trägern keinen Einfluss auf die Qualität des Drucks.

Ein SLA-Druck mit Abstützungsstruktur

Entfernen von Abstützungsmaterial aus SLA- und DLP-Ausdrucken

Zunächst wird Isopropylalkohol (IPA) verwendet, um flüssiges Harz von Ihren fertigen Teilen abzuwaschen. Stützstrukturen können entweder von der Oberfläche des Modells abgebrochen oder mit einer Zange entfernt werden. Die Stellen, an denen der Träger mit dem Objekt in Kontakt war, werden dann geschliffen, um alle verbleibenden Spuren zu entfernen.

Entfernen von Abstützungsstrukturen aus einem SLA-Ausdruck

Design-Betrachtungen für die Abstützung in SLA & DLP

Die Teileausrichtung spielt eine entscheidende Rolle bei der Frage, wo die Abstützung für SLA- und DLP-Drucken angesiedelt ist. Durch die Neuausrichtung eines Teils kann der Umfang der Abstützung (und damit die Kosten für den Druck) drastisch reduziert werden.

Die Ausrichtung spielt auch eine wichtige Rolle bei der Frage, wo die Abstützung stattfinden wird. Wenn das ästhetische Erscheinungsbild einer Oberfläche auf einem Bauteil von größter Bedeutung ist, kann auch die Ausrichtung des Teils so erfolgen, dass in diesem Bereich wenig bis gar keine Abstützung vorhanden ist.

Bei komplexen Drucken mit einem hohen Detaillierungsgrad und vielen dünnen oder komplizierten Merkmalen kann die Unterteilung des Drucks in einzelne Abschnitte und deren Zusammenbau (über Schnappverbindungen, ineinandergreifende Teile oder Klebstoffe) ebenfalls die Druckqualität und das Erscheinungsbild verbessern.

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SLA-gedrucktes Teil, der einige Markierungen zeigt, wo sich die Abstützung befand

Abstützungsstrukturen für den Material-Jetting

Material Jetting (Stratasys PolyJet und 3D Systems MultiJet Modeling)-Technologien sind ähnlich wie der Tintenstrahldruck, aber anstatt Tintentropfen auf Papier zu spritzen, spritzen diese 3D-Drucker Schichten aus flüssigem Photopolymer auf eine Druckbettplattform und härten sie sofort mit UV-Licht aus.

Wann wird Abstützung beim Material Jetting benötigt?

Diese Drucker erfordern die Verwendung von Stützmaterial in allen Fällen, in denen überhängende Teile vorhanden sind, unabhängig vom Winkel. Die Träger sind entweder wasserlöslich oder werden bei der Nachbearbeitung mit Lagen, Wasserstrahlen, Ultraschallbad und Sandstrahlen entfernt.

Im Gegensatz zu FDM sind die Abstützungen für diese Technologien in keiner Weise nachteilig für das Aussehen, die Oberflächenqualität oder die technischen Eigenschaften der Drucke. Nach einer ordnungsgemäßen Nachbearbeitung ist es praktisch unmöglich, die mit Abstützung abgedeckten Teile vom Rest des Drucks zu unterscheiden.

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Entfernen von wasserlöslichem Trägermaterial aus einem PolyJet-Druck

Konstruktionsüberlegungen für Stützen beim Materialstrahlverfahren

Aufgrund der verwendeten Elektrowerkzeuge (Wasserstrahl, Sandstrahler) können bei der Nachbearbeitung komplizierte Teile des Modells beschädigt oder verbogen werden. Stellen Sie sicher, dass Sie die Material-Jetting-Regeln befolgen, um Probleme zu vermeiden. Wenn Ihr Modell komplizierte Teile und dünne Drähte aufweist, wird stattdessen der Druck SLS empfohlen.

SLS-Abstützungsstrukturen

Selektives Lasersintern (SLS) verschmilzt pulverförmiges Material in einer Kammer mit einem Laser.

Für SLS sind keine Stützstrukturen erforderlich, da das Pulver beim schichtweisen Aufbau des Objekts als Stütze dient. Dies gibt eine große Designfreiheit, erhöht aber im Allgemeinen auch die Kosten und die Zeit für den Druck eines Teils. SLS benötigt Zeit, um die Baukammer abzukühlen, und die Reinigung des Drucks erfordert einen mehrstufigen Nachbearbeitungsprozess, einschließlich der Entfernung von ungeschmolzenem Pulver, normalerweise mit einer Luftpistole.

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Beim Drucken mit SLS fungiert das ungeschmolzene Pulver um den Druck herum als natürlicher Träger, der leicht zu entfernen ist.

Abstützstrukturen für Binder Jetting

Binder Jetting funktioniert ähnlich wie SLS in der Art und Weise, dass der Drucker dünne Schichten von pulverförmigem Material verwendet, um ein Objekt aufzubauen, aber anstatt einen Laser zu verwenden, der die Schicht zusammensintert, verwenden diese Drucker ein aus einer Düse extrudiertes Bindemittel, um das Pulver zusammenzubinden.

Genau wie bei SLS sind keine Stützstrukturen erforderlich, da das Pulver beim Bau des Objekts als Stütze dient, aber die Reinigung und Nachbearbeitung des Drucks erfordert einen mehrstufigen Nachbearbeitungsprozess, einschließlich der Entfernung des nicht geschmolzenen Pulvers, normalerweise mit einer Luftpistole.

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Nicht geschmolzenes Pulver wird aus einem mit Bindemittel gestrahlten Druck entfernt.

Abstützungsstrukturen für den Metalldruck

Bei den Metalldrucktechnologien werden Stützstrukturen verwendet, um die Modelle während des Bauprozesses in allen Fällen auf einer Grundplatte zu fixieren, aber Überhänge mit einem Winkel von mehr als 35 Grad können ohne Abstützung gebaut werden. Wenn Stützen benötigt werden, ist es wichtig, dass sie leicht zugänglich sind, da sie sonst bei der Nachbearbeitung nicht entfernt werden können.

Die Verwendung von Trägern hat keinerlei Einfluss auf die Qualität des Drucks, und bei entsprechender Nachbearbeitung können alle Markierungen vom gedruckten Modell entfernt werden.

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Metalldrucke - noch immer am Druckbett befestigt - zeigen Stützstrukturen.

Faustregeln

Drucktechnik Abstützung erforderlich
FDM Abhängig von der Modellgeometrie
SLA & DLP Immer erforderlich
Material Jetting Immer, aber löslich
SLS Niemals
Binder Jetting Niemals
Metalldruck Immer

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