„Complexity is free“ ist ein geläufiges Sprichwort in der additiven Fertigung (AM). Die Idee dahinter ist, dass die Herstellungskosten eines AM-Teils mit zunehmender geometrischer Komplexität ungefähr konstant bleiben, im Gegensatz zu herkömmlichen Herstellungsmethoden (Gießen, Schmieden, Fräsen usw.), bei denen die Kosten für zusätzliche, integrierte Merkmale tendenziell exponentiell steigen. Das Konzept der zuverlässigen, kostengünstigen Komplexität weckt großes Interesse und kann für verschiedene Disziplinen unterschiedliche Bedeutungen haben, wenn es um AM geht.
Für Innovatoren bedeutet es das Versprechen von Freiheit – Freiheit von den Einschränkungen der traditionellen Fertigung – und die Möglichkeit, sich ausschließlich auf die Teileleistung zu konzentrieren. Unglaublich komplexe Teile, die vielleicht nur in der Vorstellungskraft der Ingenieure existieren, können jetzt in wenigen Tagen statt in Monaten oder Jahren hergestellt werden, was einen enormen Paradigmenwechsel in Bezug auf Konstruktionszyklen und Vorlaufzeiten darstellt.
Für traditionelle Teilehersteller beschwört das Sprichwort das Versprechen einer Revolution im Supply Chain Management herauf. Einige Standardkomponenten bestehen aus Tausenden von Teilen, die vor der Montage an verschiedenen Standorten hergestellt werden. Aus verschiedenen Gründen (z. B. Verschleiß) müssen Komponenten im Feld regelmäßig ausgetauscht oder aufgerüstet werden. Dies rechtzeitig zu tun, ist eine gewaltige Herausforderung bei Werkzeugen, Lagerung und Versand, die einen frühen Aufbau von inventarisierten Teilen erfordert. Mit AM können Teiledateien (dh digitale Modelle) jedoch ohne kostspielige physische Inventur in digitalen Lagern gespeichert und je nach Bedarf just-in-time oder mit nur kurzer Verzögerung für die Produktion verwendet werden.
Leider erfüllen die meisten herkömmlichen Metall-AM-Technologien diese beiden Versprechen nicht.
Mit der Verbreitung von Metall-AM-Technologien haben sowohl Innovatoren als auch Hersteller von Legacy-Teilen nun erkannt, dass sie eine Reihe von Designbeschränkungen gegen andere eingetauscht haben.
Der Versuch, die meisten Teile „wie besehen“ zu drucken, kann zu einem inakzeptablen Teil führen – schlechte Maßgenauigkeit, Nichteinhaltung der erforderlichen mechanischen Eigenschaften, sichtbare Defekte usw. – oder schlimmer noch, zu einem katastrophalen Druckfehler, der teures Material verschwenden oder sogar beschädigen könnte Drucker.
Daher erfordert ein erfolgreicher Druck häufig, dass ein erfahrener Benutzer die Richtlinien „Design for Additive Manufacturing“ (DfAM) anwendet, d. h. das Teil neu gestaltet, um eine Vielzahl von Einschränkungen zu berücksichtigen, die in der AM üblich sind. Außerdem erfordert dies häufig eine Feinabstimmung der Druckparameter für ein bestimmtes Teil und einen bestimmten Drucker.
Drei typische Einschränkungen herkömmlicher Metall-AM-Drucker sind überhängende Merkmale, Eigenspannungen und dünne Wände.
Nicht unterstützte Überhangmerkmale können verheerende Auswirkungen auf die Herstellbarkeit und Leistung eines 3D-gedruckten Metallteils haben. Wenn der Winkel zwischen der Oberfläche des Teils und der horizontalen Ebene unter etwa 45 Grad fällt, ist das Ergebnis ein verformtes Teil oder sogar ein katastrophaler Druckfehler.
Benutzer herkömmlicher AM-Systeme werden gebeten, ihr Teil so auszurichten, dass solche Bereiche mit niedrigem Winkel minimiert werden, und den verbleibenden Stützen hinzuzufügen. Nach dem Drucken kann das Entfernen dieser Stützen unerschwinglich teuer und in vielen Fällen sogar unmöglich sein (z. B. eine unterstützte Oberfläche innerhalb eines ummantelten Laufrads).
Das Schmelzen und Abkühlen von Metall bei unterschiedlichen Temperaturen und Zeitskalen kann dazu führen, dass sich Eigenspannungen in einem Teil aufbauen. Diese Spannungsakkumulation kann das Teil verzerren oder reißen – oder sogar die Bauplatte. Benutzer werden normalerweise gebeten, große Bereiche mit ununterbrochenem Schmelzen zu vermeiden und/oder Laserschraffurmuster vorzuschreiben. Dünne Wände müssen typischerweise verstärkt werden, umso mehr, wenn sie abgewinkelt sind.
Als Alternative kann eine End-to-End-AM-Lösung die Notwendigkeit von DfAM-Kompromissen mit einer Kombination aus Software, Hardware und sensorgeführten Steuerungen überwinden, die eng in einen einzigen Produktionsstrom integriert sind. Von Anfang bis Ende werden Prozesse wie Druckvorbereitung, Pulverauftrag, Lasermuster und mehr an jedes geometrische Merkmal in einem Design angepasst. Kontrollen überwachen die zugrunde liegende Physik jedes Prozesses, um Metriken wie Druckgeschwindigkeit, Restspannungen, Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität auszugleichen.
Diese fortschrittliche Lösung kann auch von Laien „out of the box“ verwendet werden. Sie importieren einfach das native CAD-Modell Ihres Teils in die Einrichtungssoftware auf der AM-Maschine – ohne dass eine Neukonstruktion erforderlich ist – und es generiert automatisch eine Datei mit Produktions- (Laser-) Anweisungen für dieses System. Diese Anweisungen können auch an jeden kompatiblen Drucker auf der ganzen Welt gesendet werden, in der Gewissheit, dass das Ergebnis identisch ist.
Eine solch weitgehende Automatisierung ermöglicht dennoch Flexibilität. Wünscht der Anwender eine vom Standard abweichende Eigenschaft in einem Bereich eines Bauteils, um beispielsweise Kompromisse zwischen Druckgeschwindigkeit, Oberflächenqualität oder Maßhaltigkeit zu erkennen, kann er dies durch eine Vielzahl von Auswahlmöglichkeiten realisieren. Da die Druckvorbereitung für einige der komplexesten Teile ein rechenintensives Verfahren sein kann, steht eine verfügbare Arbeit zur Verfügungflow ermöglicht das Auslagern in die Cloud oder einen lokalen Cluster. Sobald der Drucklauf abgeschlossen ist, können Benutzer das Ergebnis Schicht für Schicht überprüfen. Besonderes Augenmerk wird auch auf die Verteilung der Arbeitslast auf mehrere Laser gelegt, um die Druckgeschwindigkeit zu maximieren und gleichzeitig unerwünschte Interferenzen zwischen gleichzeitig aktiven Lasern zu vermeiden.
Das Versprechen von Metall-AM, Innovationen zu liefern, ohne die Kompromisse von DfAM, wird endlich durch die fortschrittlicheren 3D-Systeme, die jetzt verfügbar sind, realisiert. Produktdesigner, Ingenieure und Supply-Chain-Manager sind jetzt frei, die Grenzen dessen zu überschreiten, was herkömmliche Technologien bieten, und ihre Ambitionen mit den heutigen vollständig integrierten AM-Lösungen zu verwirklichen.
Autoren:
Victorien Menier: Leitender Software-Ingenieur – Velo3D
Pieter Coulier: Leitender Softwareingenieur – Velo3D
