6 belangrijke ontwerpoverwegingen voor 3D-metaalprinten

Metaal 3D-printen zit in de lift, waarbij de verkoop van metalen AM-systemen een explosieve groei van 80% kende vanaf 2017. Metaal 3D-printen biedt een ongekende vrijheid van ontwerp, dat ontwerpers en technici de mogelijkheid geeft om creëer organische vormen en lichtgewicht structuren, die anders onmogelijk zouden zijn met traditionele productiemethoden.

Om het volledige potentieel van 3D-metaalprinten echt te ontketenen en concurrerend te blijven, is het echter cruciaal om te begrijpen hoe u het meeste kunt halen uit de ontwerpmogelijkheden die de technologie biedt. Omdat traditionele ontwerpregels niet langer kunnen worden toegepast, is een nieuwe benadering van ontwerpen voor 3D-metaalprinten noodzakelijk.

Daarom hebben we onze belangrijkste ontwerpoverwegingen voor 3D-printen van metaal samengesteld om u te helpen het meeste uit uw metalen onderdelen te halen.

6 dingen om te overwegen bij het ontwerpen van uw metalen onderdeel

1. Wanddikte

Een van de belangrijkste punten om te overwegen bij het ontwerpen voor 3D-printen van metaal is de wanddikte. Als algemene vuistregel wordt geadviseerd om wanden te ontwerpen met een minimale wanddikte van 0,4 mm. Het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de wanddikte van uw onderdelen niet te dun of te dik is, omdat dit kan resulteren in een delicate afdruk of een opbouw van interne spanningen, wat kan leiden tot scheuren. Hoewel fijnere functies mogelijk zijn, is dit sterk afhankelijk van het gekozen metaalmateriaal en de parameters van uw printer.

Bij dikke muren kunt u ook experimenteren met rooster- of honingraatstructuren, omdat dit u een aanzienlijke hoeveelheid materiaal kan besparen en ook de bouwtijd kan verkorten.

2. Ondersteuningsstructuren

Draagconstructies zijn vrijwel altijd een noodzaak bij 3D-metaalprinten. Hoewel het ideaal is om een ​​onderdeel te ontwerpen met de minimale hoeveelheid benodigde steunen, zijn ze vereist voor gebieden zoals gaten, hoeken en uitsteeksels. Er worden ook steunen gebruikt om een ​​metalen onderdeel aan de grondplaat te verankeren om warmte af te voeren, wat kan leiden tot restspanningen.

De vuistregel voor ondersteuningen in de binnengebieden van een onderdeel, zoals horizontale gaten, is het ontwerpen van schuine ondersteuningsstructuren. Door deze structuren toe te passen, minimaliseert u het contactoppervlak met ondersteuningen, wat weer resulteert in minder nabewerking.

Ontwerp daarnaast uw steunen zodat ze taps toelopen als ze contact maken met het onderdeel. Dit maakt het verwijderen van steunen en het gladmaken van het oppervlak veel gemakkelijker. Lichte, buisvormige steunconstructies zullen ook veel minder tijd en moeite vergen om te verwijderen.

3. Overhangen en zelfdragende hoeken

Soms moet u misschien een metalen onderdeel met overhangen ontwerpen:de uitstekende delen van uw afdruk. Grote overhangen (meestal meer dan 1 mm) vereisen ondersteunende structuren om te voorkomen dat ze tijdens het printproces instorten. De maximale lengte van een niet-ondersteunde horizontale overhang is 0,5 mm en het is belangrijk om uw overhangen onder deze lengte te houden. Filets en afschuiningen kunnen tot een onderdeel worden ontworpen om deze overhangen te elimineren.

Naast de lengte is ook de hoek van uw overhang van belang om rekening mee te houden. Voor een hoek van minder dan 45 graden zijn doorgaans ondersteunende structuren nodig.

4. Gedeeltelijke oriëntatie

Experimenteren met onderdeeloriëntatie is de beste manier om de hoeveelheid benodigde ondersteuningsstructuren te minimaliseren. Als u bijvoorbeeld een metalen onderdeel met holle buisvormige kenmerken wilt maken, neemt horizontale oriëntatie meer ruimte in beslag, terwijl verticale of schuine oriëntatie ruimte bespaart en de hoeveelheid benodigde ondersteuningen vermindert.

Een andere overweging waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van de oriëntatie van het onderdeel, is dat naar beneden en naar boven gerichte oppervlakken een verschillende oppervlakteruwheid hebben (zogenaamde donshuiden hebben meestal een inferieure oppervlakteafwerking). Als u gedetailleerde kenmerken met de beste nauwkeurigheid wilt produceren, zorg er dan voor dat u deze oriënteert op het naar boven gerichte oppervlak van het onderdeel.

5. Kanalen en gaten

Additieve fabricage van metaal staat bekend om zijn vermogen om onderdelen met kanalen en gaten te produceren, wat niet kan worden bereikt met traditionele productiemiddelen. Wanneer u dergelijke kenmerken in uw ontwerp meeneemt, moet u er rekening mee houden dat de minimale diameter voor de meeste poederbedprocessen 0,4 mm is. Voor gaten en buizen met een diameter van meer dan 10 mm zijn ondersteunende constructies nodig.

Bovendien zijn perfect ronde horizontale gaten nog steeds een uitdaging voor 3D-printen. Overweeg om dergelijke vormen opnieuw te ontwerpen tot een zelfdragende traan- of ruitvorm.

Aangezien holle metalen onderdelen ontsnappingsgaten nodig hebben om niet-gesmolten poeder te verwijderen, moet u hier rekening mee houden in uw ontwerp,  met een aanbevolen diameter van 2-5 mm.

6. Topologie-optimalisatie en generatief ontwerp

De mogelijkheid om complexe geometrieën te produceren met behulp van additive manufacturing maakt het ideaal voor topologie-optimalisatie en generatief ontwerp. Topologie-optimalisatie heeft tot doel de geometrie en materiaalverdeling van een onderdeel te optimaliseren met behulp van wiskundige berekeningen. Generatief ontwerp daarentegen is geïnspireerd op de ontwerppatronen van de natuur en stelt ingenieurs in staat om alle mogelijke elementen van een oplossing te verkennen. Door deze tools te gebruiken, kunnen ontwerpers en ingenieurs de volledige ontwerpvrijheid van 3D-printen vergroten om functioneel geoptimaliseerde, sterke en lichtgewicht metalen onderdelen te maken.

Het ontwerpparadigma verschuiven om het meeste uit metaal AM te halen   

Ontwerpen voor metaal 3D-printen is geen sinecure, omdat het kennis vereist over de mogelijkheden en beperkingen van metaal-AM-technologieën en -materialen, evenals een nieuwe benadering van ontwerpen. Het verkennen en integreren van ontwerprichtlijnen voor vanaf het allereerste begin van het ontwerpproces zal bedrijven echter in staat stellen het succes van de productie van eindmetalen onderdelen te maximaliseren, terwijl de kosten en materiaalverspilling tot een minimum worden beperkt.

Voor meer informatie over 3D-printen op metaal, bekijk onze uitgebreide gids voor 3D-printen op metaal en onze introductie tot DMLS.