Design for Additive Manufacturing (DfAM): Wichtige Konstruktionsregeln für den Metall-3D-Druck

Die additive Fertigung hat die Möglichkeiten der industriellen Bauteilkonstruktion grundlegend verändert. Während klassische Fertigungsverfahren wie Fräsen, Drehen oder Gießen häufig durch geometrische Einschränkungen begrenzt sind, eröffnet der Metall-3D-Druck deutlich mehr Gestaltungsfreiheit. Komplexe Geometrien, interne Strukturen oder funktionsintegrierte Bauteile lassen sich mit additiven Verfahren realisieren, die mit traditionellen Methoden nur schwer oder gar nicht herstellbar wären.

Damit diese Potenziale optimal genutzt werden können, reicht es jedoch nicht aus, bestehende Bauteile einfach zu „drucken“. Vielmehr müssen Konstruktionen speziell für die additive Fertigung entwickelt oder angepasst werden. Genau hier setzt das Konzept Design for Additive Manufacturing (DfAM) an.

DfAM beschreibt eine Reihe von Konstruktionsprinzipien und Designstrategien, die speziell für den Metall-3D-Druck entwickelt wurden. Ziel ist es, Bauteile so zu gestalten, dass sie effizient produziert werden können und gleichzeitig die Vorteile der additiven Fertigung voll ausschöpfen.

Was bedeutet Design for Additive Manufacturing?

Design for Additive Manufacturing bezeichnet einen konstruktiven Ansatz, bei dem Bauteile gezielt für additive Fertigungsverfahren optimiert werden. Statt sich an den Einschränkungen klassischer Produktionsmethoden zu orientieren, werden Konstruktionen an die Möglichkeiten des 3D-Drucks angepasst.

Das bedeutet beispielsweise, dass Bauteile leichter konstruiert werden können, komplexe Innenstrukturen integriert werden oder mehrere Komponenten zu einem einzigen Bauteil zusammengeführt werden.

Der Fokus liegt dabei auf drei zentralen Zielen:

– Verbesserung der Bauteilfunktion
– Reduzierung von Gewicht und Materialeinsatz
– Optimierung der Fertigung für additive Prozesse

DfAM erfordert daher ein Umdenken in der Konstruktion. Bauteile werden nicht mehr nur für die Funktion, sondern auch für den spezifischen Fertigungsprozess entworfen.

Warum DfAM im Metall-3D-Druck so wichtig ist

Der Metall-3D-Druck bietet eine enorme Designfreiheit, aber er bringt auch bestimmte prozessbedingte Anforderungen mit sich.

Bauteile werden schichtweise aufgebaut. Während dieses Prozesses können Überhänge entstehen, Stützstrukturen notwendig werden oder thermische Spannungen auftreten.

Wenn diese Faktoren bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden, lassen sich Druckqualität, Produktionszeit und Nachbearbeitungsaufwand deutlich verbessern. DfAM hilft daher dabei, Bauteile so zu gestalten, dass sie nicht nur funktional, sondern auch wirtschaftlich additiv gefertigt werden können

Design for Additive Manufacturing (DfAM): Wichtige Konstruktionsregeln
Konstruktionsregel 1: Überhänge vermeiden oder optimieren

Eine der wichtigsten Regeln im Metall-3D-Druck betrifft sogenannte Überhänge.

Überhänge entstehen, wenn Bauteilbereiche ohne ausreichende Unterstützung gedruckt werden. Ab einem bestimmten Winkel können diese Bereiche während des Druckprozesses instabil werden.

In vielen additiven Fertigungsverfahren liegt der kritische Überhangwinkel bei etwa 45 Grad. Flachere Winkel erfordern häufig zusätzliche Stützstrukturen.

Stützstrukturen stabilisieren das Bauteil während des Drucks, müssen jedoch nach dem Druckprozess entfernt werden. Dadurch entsteht zusätzlicher Aufwand.

Durch eine gezielte Konstruktion lassen sich Überhänge reduzieren oder so gestalten, dass weniger Stützstrukturen benötigt werden.

Konstruktionsregel 2: Wandstärken richtig auslegen

Wandstärken spielen im Metall-3D-Druck eine wichtige Rolle für die Stabilität und Druckbarkeit eines Bauteils.

Zu dünne Wände können während des Druckprozesses instabil werden oder zu Verzug führen. Zu dicke Wände erhöhen dagegen Materialverbrauch und Bauzeit.

Die optimalen Wandstärken hängen von mehreren Faktoren ab, beispielsweise vom verwendeten Material, der Maschine und der Bauteilgeometrie.

In vielen Anwendungen haben sich Wandstärken im Bereich von etwa 0,5 bis 1 Millimeter als praktikabel erwiesen. Für hochbelastete Bauteile können größere Wandstärken erforderlich sein.

Eine ausgewogene Konstruktion sorgt für Stabilität und gleichzeitig für einen effizienten Materialeinsatz.

Konstruktionsregel 3: Bauteile orientierungsoptimiert gestalten

Die Orientierung eines Bauteils im Bauraum hat großen Einfluss auf die Fertigung.

Je nach Ausrichtung können sich unterschiedliche Vorteile ergeben. Eine geeignete Orientierung kann beispielsweise die Anzahl der benötigten Stützstrukturen reduzieren oder die Oberflächenqualität verbessern.

Auch die Bauzeit kann durch eine geeignete Orientierung beeinflusst werden. Bauteile, die sehr hoch im Bauraum stehen, benötigen mehr Schichten und damit mehr Druckzeit.

Bereits in der Konstruktionsphase sollte daher berücksichtigt werden, wie ein Bauteil später im Drucker positioniert wird.

Konstruktionsregel 4: Bauteilkonsolidierung nutzen

Ein großer Vorteil der additiven Fertigung ist die Möglichkeit der Bauteilkonsolidierung.

Dabei werden mehrere Einzelteile zu einem einzigen Bauteil zusammengeführt. Baugruppen, die früher aus vielen Komponenten bestanden, können heute häufig als ein integriertes Bauteil konstruiert werden.

Dies reduziert nicht nur Montageaufwand und Fertigungsschritte, sondern kann auch die Zuverlässigkeit eines Produkts erhöhen.

Zusätzliche Vorteile entstehen durch geringere Montagekosten und weniger potenzielle Fehlerquellen.

Konstruktionsregel 5: Leichtbau durch Topologieoptimierung

Der Metall-3D-Druck ermöglicht neue Möglichkeiten im Leichtbau.

Durch Methoden wie Topologieoptimierung können Konstrukteure Material gezielt nur dort einsetzen, wo es für die Stabilität erforderlich ist. Das Ergebnis sind oft organisch wirkende Strukturen, die besonders effizient aufgebaut sind.

Auch Gitterstrukturen oder bionische Designs können verwendet werden, um Gewicht zu reduzieren.

Diese Konzepte sind mit klassischen Fertigungsverfahren oft nicht realisierbar, lassen sich jedoch im Metall-3D-Druck effizient herstellen.

Konstruktionsregel 6: Funktionsintegration berücksichtigen

Ein weiterer wichtiger Vorteil des Metall-3D-Drucks ist die Funktionsintegration.

Komplexe Funktionen können direkt in das Bauteil integriert werden. Dazu gehören beispielsweise interne Kühlkanäle, Strömungsführungen oder Gewindestrukturen.

Durch diese Integration können zusätzliche Bauteile oder Montageprozesse entfallen.

Das Ergebnis sind kompaktere, effizientere und oft auch leistungsfähigere Bauteile.

Konstruktionsregel 7: Nachbearbeitung einplanen

Auch wenn der Metall-3D-Druck viele Möglichkeiten bietet, sind in vielen Anwendungen Nachbearbeitungsschritte notwendig.

Funktionsflächen, Passungen oder Gewinde werden häufig durch CNC-Bearbeitung präzisiert. Daher sollten diese Bereiche bereits in der Konstruktion entsprechend berücksichtigt werden.

Eine gezielte Planung der Nachbearbeitung erleichtert den gesamten Produktionsprozess.

Typische Vorteile von DfAM

Unternehmen, die Design for Additive Manufacturing konsequent einsetzen, profitieren von mehreren Vorteilen.

Bauteile können leichter konstruiert werden, ohne an Stabilität zu verlieren. Komplexe Funktionen lassen sich direkt integrieren. Gleichzeitig reduziert sich häufig die Anzahl der Bauteile in einer Baugruppe.

Darüber hinaus lassen sich Fertigungsprozesse effizienter gestalten, da weniger Montageaufwand und weniger separate Komponenten erforderlich sind.

Auch Entwicklungszeiten können verkürzt werden, da Konstruktionen schneller angepasst und getestet werden können.

Fazit

Ein großer Vorteil der additiven Fertigung ist die Möglichkeit der Bauteilkonsolidierung.

Design for Additive Manufacturing ist ein zentraler Bestandteil moderner Produktentwicklung im Metall-3D-Druck. Durch eine gezielte Anpassung der Konstruktion an additive Fertigungsprozesse können Unternehmen die Vorteile dieser Technologie optimal nutzen.

Konstruktionsregeln wie die Optimierung von Überhängen, geeignete Wandstärken oder die Integration von Funktionen tragen dazu bei, dass Bauteile effizient produziert werden können.

Unternehmen, die DfAM bereits in der frühen Entwicklungsphase berücksichtigen, können Gewicht reduzieren, Bauteilkomplexität optimieren und gleichzeitig wirtschaftliche Vorteile erzielen.

Mit der zunehmenden Verbreitung additiver Fertigung wird Design for Additive Manufacturing in Zukunft eine noch größere Rolle in der industriellen Konstruktion spielen.