Warum muss die Metallstützstruktur für den 3D-Druck entfernt werden?

1. Die Hauptaufgabe der Stützstrukturen und wie sie sich im Laufe der Zeit verändert haben
Physikalische Barrieren zur Kontrolle der Thermodynamik
Beim Metall-3D-Druckprozess erzeugen Laser- oder Elektronenstrahlen an kleinen Stellen sehr hohe Temperaturen (über 2000 Grad), wodurch sich das Material sehr schnell von einer Flüssigkeit in einen Feststoff verwandelt. Die tragende Struktur dient dabei zwei Zwecken. Erstens transportiert es als Wärmeleitmedium schnell Wärme vom aufgehängten Bereich zum Untergrund, wodurch verhindert wird, dass sich aufgrund lokaler Überhitzung Eigenspannungen aufbauen. Zweitens wird durch die Begrenzung des Metallflusses verhindert, dass das Schmelzbad aufgrund der Schwerkraft zusammenbricht. Beim Drucken eines Laufrads aus einer Titanlegierung kann die Stützstruktur beispielsweise die thermische Belastung um 60 % reduzieren, wenn der Aufhängungswinkel weniger als 45 Grad beträgt. Dadurch wird die Verformungsrate der Teile durch Verzug von 32 % auf weniger als 5 % gesenkt.
Das unvermeidliche Ergebnis der Prozessiteration
Frühe 3D-Druckmaschinen aus Metall benötigten viele Stützstrukturen, da sie die Energiedichte nicht sehr gut bewältigen konnten. Moderne SLM-Geräte können dank der Entwicklung multiphysikalischer Kopplungsmodellierungstechnologien „adaptive Unterstützung“ bieten, indem sie die Laserleistungsdichte dynamisch ändern. Das LiM-X260A-Gerät von Leiming Laser hat beispielsweise mithilfe optimierter Scanalgorithmen erfolgreich hängende Strukturen ohne jegliche Unterstützung in kleinen Winkeln von 5 bis 35 Grad gedruckt. Dadurch konnte die Menge der benötigten Unterstützungsmaterialien um 78 % reduziert werden. Diese Technologie ist jedoch immer noch nur für bestimmte Arten von Materialien und Formen nützlich.
2. Es sind noch schwerwiegende Mängel in der Tragkonstruktion vorhanden
Unsichtbare Killer der Materialeigenschaften
Die Materialschnittstellen der Tragstruktur und des Druckkörpers unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Organisation stark voneinander. Beim Drucken mit Edelstahl 316L können sich an der Verbindungsstelle zwischen dem Gitterträger und dem Feststoff grobe säulenförmige Kristalle bilden. Dadurch wird der Bereich 15 bis 20 % weicher und 40 % weniger haltbar. Der „kleine Anode, große Kathode“-Effekt von Trägerrückständen kann zu elektrochemischer Korrosion führen, die für wichtige Teile wie Turbinenscheiben in Flugzeugtriebwerken sehr schädlich ist, da sie die Korrosionsrate um das Drei- bis Fünffache beschleunigt.
Schädliche Auswirkungen auf die Präzision von Formen
An der Kontaktstelle zwischen Tragstruktur und Bauteiloberfläche entsteht eine Übergangsschicht mit einer Dicke von 0,1 bis 0,3 mm. Wenn diese Schicht mechanisch entfernt wird, kann es zu Oberflächenfehlern kommen. Beispielsweise verfügt die Treibstoffdüse von GE Aviation über einen internen Strömungskanal, der nur 2 mm Durchmesser hat. Bei Restunterstützung kann sich der Strömungskanalabschnitt um mehr als 8 % verbiegen, was sich direkt auf die Wirkung der Kraftstoffzerstäubung auswirkt. Auch bei hochmodernen Techniken wie der elektrochemischen Auflösung kann es immer noch zu lokaler Korrosion im 0,05-mm-Bereich kommen, wenn die Stromdichte nicht gleichmäßig verteilt ist.
Der Schwachpunkt der Kostenkontrolle
Die Kosten für das zur Herstellung der Tragstruktur verwendete Material machen etwa 12 bis 18 % der Gesamtkosten des 3D-Metalldrucks aus. Die Kosten für Nickel-basierte Hochtemperaturlegierungen betragen mehr als 2.000 US-Dollar pro Kilogramm, und das Wegwerfen zusätzlicher Materialien ist zu aufwändig. Die Arbeitskosten der Nachbearbeitungsphase sind viel besorgniserregender, da sie bis zu 25 % bis 30 % betragen können. In der automatisierten Produktionslinie von BMW IDAM müssen immer noch Menschen beim Entnahmevorgang mithelfen, was zu einem großen Engpass geworden ist, der die Automatisierung des gesamten Prozesses verhindert.
3. Durchbrüche und Probleme mit der Technologie, die bei der Entfernung hilft
Eine Revolution in der präzisen mechanischen Entfernung
Es gibt zwei Hauptprobleme bei herkömmlichen mechanischen Prozessen wie dem Drahtschneiden und -fräsen: Erstens sind sie aufgrund komplexer Hohlraumstrukturen im Inneren schwer zu erreichen, und zweitens sind sie auf Mikrometerebene schwer zu kontrollieren. Das NetShape-Robotersystem von Rivelin Robotics kann die Kontaktkraft mithilfe eines Force-Feedback-Steuerungsalgorithmus auf 0,1 N genau regulieren. Bei Verwendung mit einem visuellen 3D-Positionierungssystem können Stützrückstände automatisch gefunden und entfernt werden, wodurch die Oberfläche glatter wird (von Ra6,3 μm auf Ra1,6 μm) und die Verarbeitung um das Zehnfache beschleunigt wird.
Selektiver Durchbruch beim chemischen Ätzen
Die von der Arizona State University entwickelte elektrochemisch unterstützte Entfernungstechnologie erreicht eine selektive Auflösung durch die Schaffung eines Differenzpotentialfeldes. Im System aus Edelstahl 304/Kohlenstoffstahl kann die Kombination aus 41 Gew.-%iger Salpetersäurelösung und Sauerstoff den 7 mm dicken Kohlenstoffstahlträger in 6 Stunden vollständig entfernen. Außerdem wird die Korrosionsrate des Edelstahlsubstrats unter 0,002 mm/h gehalten. Diese Technologie wurde zur Herstellung medizinischer Implantate eingesetzt, wodurch sich die Zeit zum Entfernen der Stütze von 48 Stunden auf 8 Stunden verkürzte.
Mithilfe intelligenter Algorithmen Vorhersagen darüber treffen, wie sich Dinge verbessern lassen
Das belgische Startup Materialise stellt eine Software namens Magics her, die maschinelle Lernmodelle nutzen kann, um automatisch die besten Unterstützungsstrukturen zu konstruieren. Das System lernt aus 100.000 Prozessdatensätzen und kann vorhersagen, wie sich die thermische Belastung auf verschiedene Formen ausbreitet. Es kann auch selbstständig die Auflagedichte und Kontaktfläche verändern. Beim Drucken eines bestimmten Teils einer Flugzeugstruktur reduzierte die optimierte Unterstützungsmethode den Materialverbrauch um 42 % und die Nachbearbeitungszeit um 65 %.