10 Gründe, warum DfAM im 3D-Druck wichtig ist

Wenn Sie mit additiver Fertigung zu tun haben, wissen Sie, wie wichtig das Design für die Herstellung eines Teils ist, wobei die Modellierung der erste Schritt in jedem 3D-Druckverfahren ist. Hier kommt das Design for Additive Manufacturing (DfAM) ins Spiel, wie es im Allgemeinen genannt wird. Definiert als „Design for Manufacturability“ für die additive Fertigung oder einfacher als die Konstruktionsmethoden und -werkzeuge, mit denen Teile, die mit Hilfe der additiven Fertigung hergestellt werden, optimiert werden können, ermöglicht DfAM den Anwendern, die Vorteile der Konstruktionsfreiheit zu nutzen, die im 3D-Druck vorhanden und der Schlüssel zur Herstellung funktionaler, leistungsstarker Teile ist. Aber selbst mit diesem Wissen wird DfAM in der Branche manchmal ignoriert. Aber warum ist es so wichtig? Welche Vorteile kann es für Teile bringen? Diesen Fragen gehen wir in unserem neuen redaktionellen Format nach, in dem wir 10 Gründe auflisten, warum DfAM im 3D-Druck wichtig ist.

#1: Weniger 3D-Druck-Fehler

Druckfehler sind der Fluch eines jeden Anwenders von additiven Fertigungstechnologien. Vor allem bei hochindustriellen Verfahren wie LPBF oder SLS, die mit Lasern arbeiten, oder bei teuren Materialien wie PEEK und PEKK können kleine Fehler, die das Teil ruinieren, die Anwender in Bezug auf Kosten und Zeit wirklich zurückwerfen. An dieser Stelle wird der Wert von DfAM schnell deutlich. Durch die Konstruktion ist es nicht nur möglich, das Modell richtig auszurichten und zu stützen (beides trägt wesentlich dazu bei, Eigenschaften wie Isotropie und Verzug zu gewährleisten), sondern auch die richtigen Füll- und Schichteneinstellungen für ein Teil zu wählen. Dies wiederum reduziert die Anzahl der Druckausfälle erheblich.

Die Ausrichtung der Korrekturen ist eine der Überlegungen im DfAM (Bild: Protolabs) 

#2: Schnelleres Drucken

Geschwindigkeit ist einer der Hauptvorteile der additiven Fertigung, da die Technologien es den Anwendern ermöglichen, Teile in einem Bruchteil der Zeit herzustellen, die bei herkömmlichen Fertigungsmethoden benötigt würde. Diese Geschwindigkeit ist jedoch keine Selbstverständlichkeit. Durch den Einsatz von DfAM ist es möglich, das Design mit Tricks wie Gitterstrukturen zu optimieren, um die Festigkeit zu erhalten und gleichzeitig die Menge des zu verwendenden Materials zu minimieren. Außerdem können die Benutzer Stützstrukturen minimieren, was, wie weiter unten erläutert wird, auch die Druckzeit verkürzt.

#3: Komplexere Entwürfe

Beim 3D-Druck gibt es keine zusätzlichen Schwierigkeiten, wenn ein Entwurf komplexer ist. Mit DfAM können die Benutzer daher wesentlich komplexere Geometrien erstellen, als dies mit herkömmlichen Konstruktionsregeln möglich wäre. Mithilfe der Software können Teile mit wesentlich komplexeren Geometrien, insbesondere aus Metall, entworfen und anschließend gedruckt werden. In dieser Komplexität zeigt sich die Freiheit, die der 3D-Druck den Nutzern bietet.

#4: Optimierung des Gewichts-Leistungs-Verhältnisses

In Anknüpfung an das vorangegangene Beispiel ermöglicht DfAM den Nutzern auch die Nutzung verschiedener Konstruktionssoftware zur vollständigen Optimierung eines Teils. Wir haben es immer wieder gehört: Einer der Gründe, warum der 3D-Druck in Sektoren wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie so begehrt ist, liegt darin, dass er es ermöglicht, ein Teil zu erstellen, das wesentlich leichter ist, während seine Festigkeit und andere Eigenschaften erhalten bleiben, d. h. ein hervorragendes Verhältnis zwischen Gewicht und Leistung. Dies kann insbesondere durch DfAM erreicht werden, zum Beispiel durch die Integration von Gitterstrukturen oder die Verwendung von topologischer Optimierung und generativem Design für ein Teil. Diese sind speziell darauf ausgelegt, Teile so zu optimieren und zu generieren, dass sie weniger Material benötigen, aber dennoch bestimmte Anforderungen wie die Festigkeit erfüllen. Und während bei der herkömmlichen Fertigung die daraus resultierenden Teile zu kompliziert sein können, ist dies beim 3D-Druck, wie oben erwähnt, kein Problem.

DfAM kann u.a. bei der topologischen Optimierung eingesetzt werden (Bild: nTop)

#5: Weniger Stützstrukturen

Es kann leicht sein, Stützstrukturen als „notwendiges Übel“ im 3D-Druck zu betrachten. Während Stützstrukturen absolut wichtig sind, um sicherzustellen, dass sich ein Teil während des 3D-Druckprozesses nicht verformt oder verzieht, bedeuten sie auch einen höheren Materialverbrauch (was sich sowohl auf die Kosten als auch auf die Zeit auswirkt), was wiederum die Nachbearbeitung verlängert und das Aussehen des Teils beeinträchtigt. An dieser Stelle kann DfAM eine Rolle spielen. Durch eine sorgfältige Konstruktion der Teile, wie z. B. die Verringerung von Überhängen, die Verbesserung der Ausrichtung oder die richtige Wahl der Infill-Einstellungen, können die Benutzer bei der Herstellung der Teile weniger Stützen verwenden.

#6: Verringerung der Nachbearbeitung

Ein weiterer wichtiger Grund für die Bedeutung von DfAM ist, dass es den Nutzern ermöglicht, die Nachbearbeitung insgesamt zu reduzieren. Einer der Hauptgründe dafür ist natürlich die Optimierung der Stützstrukturen, was bedeutet, dass weniger Zeit für deren Entfernung aufgewendet werden muss, aber es gibt auch noch andere Überlegungen. Durch die korrekte Ausrichtung des Teils oder die Verringerung der Schichthöhe (beides wichtige Aspekte bei DfAM) können beispielsweise Probleme wie die Oberflächenglätte bereits vor dem Druck gelöst werden. Wenn diese Dinge nicht berücksichtigt werden, dauert die Nachbearbeitung oft wesentlich länger, weshalb sich der Einsatz von DfAM empfiehlt.

#7: Konsolidierung von Teilen

Ein weiterer Grund, warum DfAM wichtig ist, ist die Konsolidierung von Teilen. Ein zunehmend beliebter Grund für den Einsatz der additiven Fertigung, insbesondere in Sektoren wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie, ist die Möglichkeit, mehrere Teile durch komplexere Geometrien zu einem einzigen zusammenzufassen. Ein Beispiel hierfür ist das Hypercar Czinger 21C, bei dem der Hersteller Divergent 3D nach eigenen Angaben in der Lage war, Tausende von Teilen zu einigen Hundert zusammenzufassen, wodurch das Gewicht erheblich gesenkt und die Leistung gesteigert werden konnte. Diese Art der Konsolidierung ist nur durch 3D-Druck möglich und kann durch das Erlernen und Anwenden der DfAM-Regel erreicht werden.

#8: Erhöhte Skalierbarkeit und Massenproduktion

Zugegeben, dieser nächste Punkt gilt nicht unbedingt für jede 3D-Drucktechnologie gleichermaßen. Nicht alle sind aus verschiedenen Gründen gut für die Massenproduktion oder Skalierbarkeit geeignet. Bei Technologien wie SLS, DMLS, Harz-3D-Druck und Binder-Jetting kann DfAM jedoch eine entscheidende Rolle bei der Skalierung der Produktion spielen. Durch DfAM kann die maximale Anzahl von Teilen durch Stapeln auf dem Bauvolumen platziert werden. Die Berücksichtigung von DfAM kann Anwendern helfen, einen der Hauptkritikpunkte am 3D-Druck zu überwinden, nämlich dass er für die Massenproduktion nicht gut geeignet ist.

Gestapelte 3D-gedruckte Teile aus dem 3D-Druck mit Harz (Bild: 3D Systems)

#9: Optimierung der Kosten

Komplexe Geometrien und leichtere Teile sind die Hauptgründe für die Bedeutung von DfAM, aber was nützt es, sie zu erstellen, wenn die Kosten zu hoch sind? Glücklicherweise hat sich gezeigt, dass DfAM auch die Kosten bei der Herstellung von Teilen senken kann. Im Jahr 2020 behauptete die Barnes Group, dass 86 % der Kosten eines AM-Teils durch das Design bestimmt werden und das hat sich immer wieder bestätigt. Nur durch das Design kann man die Menge des verwendeten Materials reduzieren und gleichzeitig die Festigkeit und andere Eigenschaften beibehalten, was sich letztendlich auf die Kosten des Teils auswirkt. Außerdem ist es wichtig zu bedenken, dass komplexer nicht gleichbedeutend mit teurer ist – je nach Design kann sogar das Gegenteil der Fall sein!

#10: Optimierung auf Basis der 3D-Technologie

Zu guter Letzt ist DfAM wichtig, weil es dem Benutzer ermöglicht, das Teil auf der Grundlage der verwendeten 3D-Drucktechnologie zu optimieren. Es gibt sieben Familien von 3D-Technologien mit noch mehr Prozessen, die unter sie fallen, und es sollte selbstverständlich sein, dass es erhebliche Unterschiede zwischen ihnen gibt. Ein Beispiel sind die pulverbasierten Technologien, bei denen die Entwürfe wahrscheinlich Fluchtlöcher enthalten sollten, um sicherzustellen, dass die Teile hohl gedruckt werden (was beim FDM- oder Harz-3D-Druck kein Problem wäre). Beim FDM-3D-Druck hingegen ist Anistropie üblich, so dass DfAM bei Bedarf zur Verbesserung der Isotropie von Teilen beitragen kann.

Hat Sie einer der Gründe überzeugt, um DfAM im 3D-Druck zu testen? Lassen Sie uns gerne einen Kommentar da, oder teilen Sie es uns auf Facebook oder  LinkedIN  mit. Möchten Sie außerdem eine Zusammenfassung der wichtigsten Neuigkeiten im 3D-Druck und der additiven Fertigung direkt und bequem in Ihr Postfach erhalten? Dann registrieren Sie sich jetzt für unseren wöchentlichen Newsletter.