Supportstrukturen im 3D-Druck

Supportstrukturen-3D-Druck

Einige 3D-Druckverfahren benötigten, fertigungsbedingt, Unterstützungsstrukturen (Supportmaterial). Dies ist notwendig, damit die Objekte ihre Form während des 3D-Druckvorganges behalten. Nach der Fertigstellung des Objekts muss das Supportmaterial entfernt werden. Dies kann je nach 3D-Druckverfahren unterschiedlich aufwendig sein. Im Folgenden wollen wir Ihnen eine kurze Übersicht über das Supportmaterial und die Supportstrukturen geben und Ihnen Möglichkeiten aufzeigen, das notwendige Material zu minimieren.


Wozu Supportstrukturen?

Bis auf wenige Ausnahmen (Colorjet, HP Multi Jet Fusion, Lasersintern, LMO), benötigen die 3D-Druckverfahren zum eigentlichen Modell noch zusätzliche Supportstrukturen. Dieses Material dient dem Abstützen von filigranen oder überhängenden Strukturen. Diese würden sonst, fertigungsbedingt, der Schwerkraft „zum Opfer fallen“.

Alle 3D-Druckverfahren stellen die Objekte nach folgendem Schema her: Auf eine bestehende Schicht wird die nächste Schicht aufgetragen. Bei komplexeren Geometrien ist dies aber nicht immer möglich. Für diese Situationen gibt es die Supportstrukturen. Beim Verfahren FDM/FFF benötigen Sie für Überhänge ab 45° ebenfalls Supportstrukturen. Diese werden von den 3D-Druckprogrammen automatisch erstellt, und ermöglichen es Ihnen, so auch diese Objekte zu drucken.

Im Metall-3D-Druck werden ebenfalls derartige Strukturen benötigt, i.d.R. spielt hier aber die Schwerkraft nicht die entscheidende Rolle, sondern das Verhindern von Verzug, da sich dünne Bereiche nach oben verbiegen könnten.

Metall 3D-Druck mit Supportstrukturen

Supportstrukturen für den Metall-3D-Druck. Da hierbei ein Verziehen der Teile verhindert wird, sind die Strukturen eher ‚Anker‘ als ‚Support‘.


Die Supportstrukturen

Bei den Supportstrukturen gibt es verfahrensbedingt zwei Möglichkeiten: die Supportstrukturen sind aus demselben Material wie das eigentliche Modell (Fall 1, s.u.) oder es handelt sich um spezielles Supportmaterial, welches sich vom Modellmaterial unterscheidet (Fall 2, s.u.).

  • Fall 1: Supportmaterial = Modellmaterial: Dies ist der Fall bei der Stereolithografie (bzw. DLP oder CLIP) und dem Metall-3D-Druck der Fall. Dadurch, dass Support und Modell fest miteinander verbunden sind, entstehen immer ‚Narben‘ an der Oberfläche. Im Falle der Stereolithografie sind diese (an zugänglichen Stellen) relativ gut zu entfernen, aber auch hier ist die Oberfläche dadurch häufig inhomogen. Bei Metall ist die Entfernung eher schwierig und erfordert eine sehr aufwändige Nacharbeit.
  • Fall 2: Supportmaterial Modellmaterial: Hierbei sind die Supportstrukturen aus einem unterschiedlichen Material als das eigentliche Modell. Dies betrifft v.a. den Polyjet bzw. Multijet Modeling (MJM) 3D-Druck. Bei dieser Technologie wird mit mehreren Druckköpfen gearbeitet, so dass sich das Supportmaterial vom Modellmaterial unterscheiden kann. Oftmals sind die Materialien wasserlöslich, so dass der Support einfacher entfernt werden kann.
  • Sonderfall Filament-3D-Druck (FDM/FFF): Hier kann je nach Material und Anlage sowohl Fall 1 oder Fall 2 zutreffen. Bei Anlagen mit mehreren Druckköpfen kann mit PVA (Polyvinylalkohol) als Supportmaterial gearbeitet werden dieses Material ist wasserlöslich. Da die Verwendung des Materials die Druckzeit allerdings signifikant (~Faktor 3) verlängert, verwenden wir es in unserem 3D-Druck Service nur bei geometrisch sehr komplexen Modellen.
FDM Supportmaterial Brille

Im FDM/FFF-Verfahren gefertigtes Brillengestell mit den benötigten Supportstrukturen, in dem Fall wurde nicht mit PVA gearbeitet.


Die Auswirkungen auf die Oberflächen

Das Supportmaterial muss nach der Fertigstellung des Objekts meist durch manuelle Verfahren (Schaben, Schleifen, Schneiden, Strahlen, etc.) entfernt werden. An den Stellen, an denen das Supportmaterial mit dem eigentlichen Objekt Kontakt hatte, können nach dem Entfernen kleine „Narben“ oder Rückstände zurückbleiben. Durch spezielle Nachbearbeitungsverfahren können diese „Narben“ sehr gut entfernt werden (mit Ausnahme des Metall-3D-Druck, s.o.). Auf die Funktionalität der Objekte haben sie in aller Regel geringe Auswirkungen, allerdings wird die Oberfläche bei manchen Objekten eher inhomogen.


Supportoptimierung

Die Reduzierung des benötigten Supportmaterials begingt schon während des Designs, des zu druckenden Objekts. Durch die Vermeidung von überhängenden oder sehr filigranen Strukturen kann das benötigte Supportmaterial reduziert werden. Eine weitere Möglichkeit der Reduzierung bringt eine geschickte Positionierung des Objektes im Bauraum des 3D-Druckers. Für Objekte mit einer hohen Detailgenauigkeit oder für Objekte mit hohen ästhetischen Ansprüchen bietet die Bauraumpositionierung ebenfalls gute Möglichkeiten den Support an weniger kritischen Stellen zu verorten.

Es ist daher hilfreich, uns bei der Bestellung darauf hinzuweisen, welche Flächen am Modell besonders wichtig sind, so dass wir dies bei der Positionierung berücksichtigen können.

SLA mit Supportstrukturen

SLA-3D-Druck mit Supportstrukturen.


Welche 3D-Druckverfahren benötigen Supportstrukturen?

 

3D-DruckverfahrenSupportstukturen
FDM/FFFAbhängig von der Geometrie
SLA & DLPImmer
SLSNicht benötigt
HP Jet FusionNicht benötigt
PolyjetImmer
ColorjetNicht benötigt
Metall-3D-DruckImmer

Zusammenfassung

Bis auf die pulverbettbasierten 3D-Druckverfahren (Colorjet, SLS, Jet Fusion) benötigen, abhängig von der Geometrie des Objekts, alle Verfahren Supportstrukturen. Teilweise besteht der „Support“ aus demselben Material wie das Objekt selbst, im Falle von Polyjet oder (teilweise) FDM unterscheidet sich das Supportmaterial vom Modellmaterial.

Um das Supportmaterial zu entfernen, sind mechanische oder chemische Nachbearbeitungsprozesse notwendig. Durch eine professionelle Nachbearbeitung können die Rückstände („Narben“) auf dem Objekt minimiert werden.


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Über 3Faktur: 3Faktur ist Spezialist für 3D-Druck, Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing. Wir arbeiten hauptsächlich mit dem Multi Jet Fusion-Verfahren von HP und bieten unterschiedliche Materialien für den Prototypenbau und die Serienproduktion an. Sollten Sie Fragen zu Ihrem Projekt haben, können Sie uns gern kontaktieren.