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Die additive Fertigung hat anspruchsvolle Branchen wie die Luft- und Raumfahrt transformiert, wo jedes Gramm zählt und jede Komponente strengen Leistungsstandards entsprechen muss. Ihr Einfluss beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Fähigkeit, komplexe Geometrien zu drucken oder das Gewicht von Teilen zu reduzieren: Eine ihrer strategischsten Anwendungen liegt in der Art und Weise, wie diese Teile entworfen und montiert werden.
Der 3D-Druck ist nicht mehr nur ein Prototyping-Werkzeug. Heute ist er ein integraler Bestandteil des Produktions- und Montage-Workflows. Zu verstehen, wie Baugruppen in diesem Kontext optimiert werden, ist entscheidend für jeden technischen Profi, der zuverlässige Ergebnisse erzielen möchte, insbesondere bei der Arbeit mit Technologien wie FDM, SLA, SLS oder Metall.
Einer der größten Beiträge der additiven Fertigung ist die Möglichkeit, Teile zu konsolidieren. Zum Beispiel hat GE im Luftfahrtsektor eine ursprünglich aus 20 geschweißten Teilen bestehende Treibstoffdüse neu konstruiert und als eine einzige Einheit gedruckt. Ergebnis: 25 % weniger Gewicht und eine radikale Reduzierung von Montagefehlern.
In vielen Fällen ist der geeignetste Ansatz jedoch nicht die Konsolidierung, sondern die Aufteilung des Modells. Warum? Um die Beschränkungen des Druckvolumens zu überwinden, die Ausrichtung für die mechanische Festigkeit zu optimieren, Stützstrukturen zu vermeiden oder mit verschiedenen Materialien zu drucken. In diesen Fällen wird es entscheidend, zu planen, wie diese Teile nach dem Drucken verbunden werden.
3D-gedruckte Teile bieten selten die gleiche Maßhaltigkeit wie maschinell bearbeitete. Deshalb ist es beim Entwurf von Verbindungen (wie Zapfen und Loch) ratsam, Spiel hinzuzufügen. Ein etwas größeres Loch oder ein kleinerer Zapfen können die prozessbedingten Abweichungen ausgleichen.
Um eine korrekte Passung zu gewährleisten, wird empfohlen:
Löcher unterdimensionieren, wenn eine Nachbearbeitung (Präzisionsbohren) beabsichtigt ist.
Registrierungsstifte oder Führungsschlitze hinzufügen, die beim Ausrichten der Teile während der Montage helfen.
Das direkte Drucken von Gewinden vermeiden; besser ist es, Löcher zum Einsetzen von Muttern oder Metallgewinden vorzusehen.
Je nach Verwendungszweck des Teils kann die Montage Schrauben, Klebstoffe oder mechanische Schnappverschlüsse erfordern. Jede Methode stellt eigene Designanforderungen:
Für Schrauben wird empfohlen, Gewindebohrungen zu konstruieren oder Einsätze zu verwenden.
Für Verklebungen ist es entscheidend, ebene, saubere und parallele Oberflächen sicherzustellen, die eine gute Haftung und Druck während des Trocknens und Aushärtens des Klebers ermöglichen.
Das hochauflösende 3D-Scanning wird zunehmend in den Design- und Montage-Workflow integriert. Es ermöglicht die präzise Digitalisierung bestehender Teile, um sie zu replizieren, anzupassen oder in neue Systeme zu integrieren. Dies ist besonders nützlich in Kontexten wie:
Reverse Engineering von Teilen ohne Baupläne.
Maßprüfung vor der Montage.
Design von kundenspezifischen Komponenten, die in ein bereits bestehendes System passen müssen.
Ideal für funktionale Prototypen und technische Teile aus Materialien wie ABS, Nylon, PC oder PEI (z. B. ULTEM™ 9085 für den Einsatz in der Luftfahrt). Gute Praktiken für Baugruppen umfassen:
Löcher etwas kleiner drucken und anschließend bearbeiten.
Die kritischen Baugruppenflächen so ausrichten, dass die Präzision in der XY-Ebene maximiert wird.
Brim oder Raft anwenden, um die Haftung bei großen Teilen zu verbessern und Verformungen durch Verzug zu vermeiden.
Ihre hohe Präzision macht sie hervorragend für Teile mit vielen Details oder filigranen Passungen. Ihre relative Sprödigkeit erfordert jedoch zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen:
Übermäßig straffe Pressverbindungen vermeiden, die Risse verursachen können.
Technische Harze (tough, high-temp) verwenden, wenn eine höhere mechanische Festigkeit erforderlich ist.
Schraubbereiche mit Unterlegscheiben oder Einsätzen verstärken, wenn ein erhebliches Drehmoment angewendet werden soll.
Ideal für Funktionsbaugruppen. Ermöglicht den Druck ohne Stützstrukturen, was das Design interner Geometrien und beweglicher Teile erleichtert. SLS-Teile haben:
Ausgezeichnete mechanische Homogenität (nahezu isotrop).
Leicht raue Oberflächen, die in Kontakt- oder Bewegungsbereichen geschliffen werden müssen.
Möglichkeit, direkt gelenkige oder gleitende Baugruppen zu drucken.
Der Metalldruck (DMLS/SLM) ermöglicht es, einige Baugruppen durch Konsolidierung von Teilen vollständig zu eliminieren. Wenn jedoch eine Montage erforderlich ist:
Es werden traditionelle Verfahren angewendet: Bohren, Gewindeschneiden, Fräsen, Schweißen.
Es ist üblich, Druck und Bearbeitung zu kombinieren, um kritische Toleranzen in den Verbindungsbereichen zu gewährleisten.
Die thermische (Spannungsentlastung) und Oberflächen-Nachbearbeitung ist entscheidend, um die Kontakt- oder Passbereiche vorzubereiten.
Der 3D-Druck ist nur ein Teil des Prozesses. Damit ein Teil die technischen und funktionalen Anforderungen von Branchen wie der Luft- und Raumfahrt oder der fortschrittlichen Industrie erfüllt, ist es unerlässlich, geeignete Nachbearbeitungs- und Montagetechniken anzuwenden. Von der Verbesserung der Oberflächen bis zur Sicherstellung robuster Verbindungen bestimmen diese Schritte die Endqualität des Produkts.
Mit FDM gedruckte Teile erfordern als ersten Schritt das Entfernen von Stützstrukturen, Rändern oder Rafts. Dies erfolgt mit Schneidzangen oder Entgratwerkzeugen. Um Schichtlinien zu entfernen, werden Schleifpapier mit progressiver Körnung, Feilen oder Rotationswerkzeuge verwendet. Bei Materialien wie ABS oder ASA ermöglicht die chemische Glättung mit Aceton-Dampf eine glatte Oberfläche, die dem Spritzguss nahekommt.
Es ist auch üblich, Löcher oder kritische Oberflächen durch Bohren oder leichtes Fräsen nachzubearbeiten, insbesondere bei Teilen, die montiert werden. Ein grundlegendes Nachbearbeitungs-Kit – Cutter, Schleifpapier, Rotationswerkzeug, Handschuhe, Schutzbrille – ist selbst für nicht-industrielle Arbeiten empfehlenswert.
Beim Harzdruck beginnt die Nachbearbeitung mit einer Reinigung in Isopropylalkohol, um Harzreste zu entfernen. Anschließend erfolgt die UV-Härtung (in einer speziellen Station oder mit kontrolliertem Sonnenlicht), um die Polymerisation abzuschließen. Danach werden Stützspuren mit feinem Schleifpapier entfernt, und es kann Grundierung oder Farbe aufgetragen werden, nicht nur aus ästhetischen Gründen, sondern auch um UV-Strahlen zu blockieren, die das Teil mit der Zeit vergilben könnten.
Nylonpulverteile kommen mit einer matten und leicht porösen Oberfläche heraus. Der übliche erste Schritt ist das Strahlen mit Mikrokügelchen oder Sand, um anhaftendes Pulver zu entfernen und die Oberflächentextur zu glätten. Anschließend kann eine Tauchfärbung, eine mechanische Politur (Tumbling) oder sogar eine chemische Dampfglättung angewendet werden. Bei anspruchsvollen Anwendungen kann die Epoxidharzversiegelung oder das thermische Glühen die Festigkeit oder Dichtheit verbessern.
Bei Technologien wie DMLS oder SLM werden die Teile in der Regel mit Metallstützen gedruckt, die durch mechanisches Schneiden oder Drahterodieren (Wire EDM) entfernt werden. Anschließend wird eine Wärmebehandlung zur Spannungsarmglühung durchgeführt, die unerlässlich ist, um Eigenspannungen zu eliminieren.
Um enge Toleranzen einzuhalten, werden die Funktionsflächen (Löcher, plane Flächen, Aufnahmen) nach dem Druck bearbeitet. Dies kann Gewindeschneiden, Fräsen oder Schleifen umfassen. In Branchen wie der Luft- und Raumfahrt wird das Kugelstrahlen (Shot Peening) eingesetzt, um die Ermüdungsbeständigkeit zu verbessern und Oberflächen zu glätten.
Nach der Nachbearbeitung ermöglicht der Einsatz von 3D-Scannern oder KMGs (Koordinatenmessgeräten) die Überprüfung, ob das Teil der CAD-Geometrie entspricht. Erst nach erfolgreicher Kontrolle kann das Teil zur Montage freigegeben werden.
Das Kleben ist für Kunststoffe effektiv und einfach. Cyanacrylat ist ideal für PLA, während zweikomponentige Epoxidharze Lücken füllen oder Teile mit lockeren Toleranzen verbinden können. Bei Materialien wie ABS bietet das Lösungsmittelschweißen mit Aceton eine homogenere Verbindung.
Um eine solide Verbindung zu erzielen:
Die Oberflächen müssen eben, sauber und trocken sein.
Leichtes Anschleifen wird empfohlen, um die Haftung zu erhöhen.
Druckanwendung (mittels Presse oder Schraubzwingen) während des Trocknens des Klebstoffs verbessert die Qualität der Verbindung.
Für demontierbare oder belastete Verbindungen sind Metalleinsätze (wärmeeinsetzbar) die beste Option. Sie werden mit einem Lötkolben eingesetzt und sorgen für dauerhafte Gewinde in PLA-, ABS- oder PETG-Teilen.
Bei Harzteilen oder dünnen Bereichen können Sie Folgendes verwenden:
Eingebettete Muttern (durch die Konstruktion von Sechskantvertiefungen).
Direktes Gewindeschneiden, wenn das Material es zulässt (mit Vorsicht).
Immer wenn Sie in gedruckte Teile schrauben:
Verstärkungen konstruieren, um Bruch durch Quetschen zu vermeiden.
Unterlegscheiben oder konische Unterlegscheiben verwenden, wenn die Gefahr des Einsinkens besteht.
Schnappverschlüsse (Snap-fits) oder Gleitpassungen ermöglichen Baugruppen ohne Hardware. Sie werden häufig bei Gehäusen, Abdeckungen oder nicht-strukturellen Elementen verwendet. Sie erfordern Tests, da die Flexibilität des Teils vom Material und der Druckrichtung abhängt (insbesondere bei FDM).
Bei Metallen können viele gedruckte Teile mit anderen geschweißt werden, wenn die anschließende Wärmebehandlung beachtet wird. Bei Polymeren wie PP oder PE, die schwer zu kleben sind, kann das Reibungs- oder Wärmeschweißen eine Alternative sein.
Eine untergenutzte, aber effektive Technik: das Drucken von Montagehilfen oder Vorrichtungen. Sie dienen dazu, Teile beim Kleben oder Schrauben präzise zu positionieren. Bei kleinen Chargen oder komplexen Montagen beschleunigt das Design einer spezifischen Montagehilfe im 3D-Druck den Prozess und verbessert die Qualität.
Die additive Fertigung endet nicht, wenn das Teil aus dem Drucker kommt. Die Beherrschung der Nachbearbeitung und Montage macht aus einem guten Design ein funktionsfähiges und professionelles Endprodukt. Von der korrekten Vorbereitung einer Oberfläche bis zur Auswahl des richtigen Klebstoffs oder der richtigen Schraube zählt jedes Detail, um Zuverlässigkeit und Langlebigkeit zu gewährleisten.
Diese Strategien sind nicht nur für den Luft- und Raumfahrtsektor gültig. Industrieingenieure, Produktdesigner oder fortgeschrittene Maker können sie anwenden, um ihre Entwicklungen zu verbessern. Der Schlüssel liegt darin, den 3D-Druck als Teil eines kompletten Fertigungsablaufs zu verstehen, in dem jede Phase – vom Design bis zur Endkontrolle – zur Qualität beiträgt.
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