Stützen beim 3D-Druck: wann sind sie notwendig und wie minimiert man ihre Spuren

Bei der Vorbereitung eines Teils zum Drucken gibt es einen Element, das fast nie im Design erscheint, aber das das Endergebnis maßgeblich beeinflusst: die Stützen. Es handelt sich um temporäre Strukturen, die zusammen mit dem Teil gefertigt und danach entfernt werden; von ihnen hängt in gutem Maße die Oberflächenbehandlung, die Druckzeit und die Kosten ab.

Das Verständnis, wann Stützen beim 3D-Druck wirklich notwendig sind und wie man sie bereits im Design reduziert, ist eine der einfachsten Möglichkeiten, die Qualität eines Teils zu verbessern, ohne das Material zu wechseln. In diesem Artikel sehen Sie, wann sie benötigt werden, welche Technologien sie vermeiden und wie man ihre Spuren minimiert.

Was sind Stützen beim 3D-Druck und wozu dienen sie?

Stützen sind Hilfsstrukturen, die die Bereiche eines Teils tragen, die nicht in der Luft gefertigt werden können. Bei den Technologien, die Material Schicht für Schicht ablagern oder aushärten, muss jede neue Schicht sich auf etwas abstützen: Wenn darunter nichts ist, hängt sich das Material herunter, verformt sich oder wird gar nicht gehalten.

Neben der Befestigung von Überhängen erfüllen sie in einigen Prozessen eine zweite Funktion: das Anbinden des Teils an die Plattform und die Wärmeabfuhr. Das ist der Fall bei der 3D-Druck in Metall, wo die Stützen verhindern, dass thermische Spannungen die Geometrie während des Prozesses verformen.

Die 45°-Regel: Wann sind Stützen notwendig

Die am häufigsten verwendete Referenz, um festzustellen, ob ein Bereich Stützen benötigt, ist die 45°-Regel. Solange sich eine Wand weniger als 45° zur Vertikalen neigt, stützt sich jede Schicht ausreichend auf die vorherige ab und das Teil hält sich selbst. Ab diesem Winkel benötigt der Überhang Hilfe.

Neben Überhängen gibt es drei Situationen, die fast immer Stützen erfordern:

• Lange Brücken zwischen zwei Abstützungen: Bei FDM werden kurze Abschnitte gelöst, aber die Qualität nimmt ab, je größer der Abstand wird.
• Inseln: Bereiche, die in der Luft beginnen, ohne etwas, auf das sie sich stützen können.
• Horizontale Bohrungen mit großem Durchmesser, deren oberer Teil in einem Überhang liegt.

Nicht alle 3D-Druck-Technologien benötigen Stützstrukturen

Eine der Entscheidungen, die am meisten Einfluss hat, ist die Technologie selbst. Bei FDM und bei SLA oder Harz sind Stützstrukturen unvermeidlich, sobald Überhänge auftreten. Bei SLA ist es zudem ratsam, für hohle Teile Drainagebohrungen vorzusehen, um die Saugwirkung während des Prozesses zu vermeiden.

Im Gegensatz dazu benötigen Technologien wie SLS und Multi Jet Fusion (MJF) keine Stützstrukturen: das umgebende, nicht geschmolzene Pulver hält das Teil während des gesamten Druckvorgangs. Dies ermöglicht Geometrien, die in anderen Technologien unmöglich sind, interne Kanäle oder bereits montierte Baugruppen, und eliminiert Stützstrukturen von Grund auf.

So gestalten Sie Teile, die weniger Stützstrukturen benötigen

Ein Großteil der Arbeit wird vor dem Druck erledigt. Diese Anpassungen sind Teil des Design for Manufacturing (DFM) und reduzieren Material, Zeit und Nachbearbeitung:

• Ersetzen Sie abrupte Überhänge durch Fasen, die 45° einhalten.
• Gestalten Sie horizontale Bohrungen mit Tränen- oder Rhombusform statt rund: so ist der obere Teil kein Überhang mehr.
• Fügen Sie Radien und sanfte Übergänge hinzu, statt scharfe Ecken im rechten Winkel.
• Wenn eine einzige Ausrichtung nicht alle Flächen löst, bewerten Sie das Teilen des Teils und den späteren Zusammenbau.

Die Ausrichtung des Teils: die entscheidende Entscheidung

Bevor Sie eine einzige Stützstruktur hinzufügen, sollten Sie entscheiden, wie das Teil in der Maschine positioniert wird. Die Ausrichtung bestimmt, welche Flächen in Überhang bleiben, wie viele Stützstrukturen benötigt werden und, vor allem, wo ihre Spuren verbleiben.

Die praktische Regel ist einfach: Positionieren Sie das Teil so, dass die Stützstrukturen die weniger sichtbaren oder weniger kritischen Flächen berühren. Eine ästhetische Oberfläche, eine Passungszone oder eine Fläche mit wichtigen Maßen sollte sich nicht auf einer Stützstruktur abstützen, wenn dies vermieden werden kann.

So minimieren Sie die Spuren der Stützstrukturen

Wenn die Stützstruktur unvermeidbar ist, lautet das Ziel, so wenig Rückstand wie möglich zu hinterlassen:

• Verringern Sie die Kontaktfläche: feine Spitzen und geringere Dichte an der Schnittstelle erleichtern die Entfernung und hinterlassen weniger Spuren.
• Verwenden Sie Baum-Stützstrukturen: sie berühren das Teil an deutlich weniger Punkten und sparen Material.
• Bewerten Sie lösliche Stützstrukturen bei FDM (PVA oder HIPS): sie lösen sich auf, statt abgerissen zu werden, ideal für empfindliche Geometrien.
• Passen Sie den Z-Abstand an: zu fest anliegend ist schwer zu entfernen; zu weit entfernt verschlechtert die Oberfläche der unteren Fläche.

Anschließend übernimmt die Nachbearbeitung den Rest: Schleifen, Kugelstrahlen oder verschiedene Oberflächenbehandlungen entfernen die Restspuren, wenn das Aussehen wichtig ist.

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Stützstrukturen sind an sich kein Problem: Sie sind die Folge einer bestimmten Geometrie und Ausrichtung. Eine Berücksichtigung bereits im Design spart Zeit, Material und Nachbearbeitung und sorgt für sauberere Teile auf den ersten Versuch.

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