So gelingt der 3D-Druck auch für elektronische Bauteile

Der 3D-Druck mit seinen vielfältigen Produktionsmöglichkeiten wird zunehmend zur Herstellung elektronischer Bauteile eingeführt. Allerdings genügt es nicht, im Unternehmen einfach nur einen teuren Drucker anzuschaffen. Für die additive Produktion gelten ganz eigene Regeln und Notwendigkeiten, die viele Anwender zunächst nicht kennen. Die Produktionsplattform Xometry Europe erhält täglich Anfragen von Nutzern des 3D-Drucks, die Schwierigkeiten mit der Umsetzung schildern. Bestimmte Fragen tauchen dabei immer wieder auf. Auf Basis dieser Erfahrungen sind hier einige Praxistipps zusammengestellt, wie man in der additiven Produktion bessere Ergebnisse bekommen kann.

1. Die Supportstrukturen

Ohne sie können manche Teile nicht gedruckt werden – besonders in den Verfahren Metalldruck, Polyjet und SLA. Beim FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) hängt die Notwendigkeit von der Geometrie ab. Oftmals besitzen solche Strukturen einen sehr hohen Anteil am Bauteil. Das gilt besonders für komplexe Konstruktionen, die gerade den Reiz der additiven Produktion ausmachen. Durch den 3D-Druck werden schließlich Designs möglich, die bislang undenkbar waren. Anwender sollten sich deshalb gründlich mit den Supportstrukturen auseinandersetzen. So beginnt sich zum Beispiel ab einem Winkel von etwa 40 Grad die Oberfläche zu verändern. Ohne Support geht dann nichts mehr. Die richtigen Stützen sind oft entscheidend für das Gelingen. Immer wieder lehnen Ingenieure aber Projekte ab, weil sie die Geometrie für nicht realisierbar halten. Tatsächlich wären diese mit den geeigneten Strukturen möglich. Um den Support möglichst gering zu halten, ist unter anderem die Ausrichtung des Bauteils wichtig: Eine andere Positionierung macht Stützen möglicherweise unnötig. Zudem besteht die Möglichkeit, ein spezielles additives Design anzuwenden. Dann wird ein Bauteil so konstruiert, dass erst gar keine abfallenden Flächen vorkommen. Dieses Vorgehen erfordert eine völlig neue Art der Entwicklung mit speziellen Kenntnissen.

2. Die Wanddicke

Mit dünneren Wänden erreicht man im 3D-Druck mehr Stabilität und bessere Oberflächen. Das klingt paradox, ist aber eigentlich logisch. Denn im Metalldruck bedeutet mehr Volumen auch geringere Erfolgsaussichten wegen der Deformierung beim Abkühlprozess. Zu viele Volumenknotenpunkte zum Beispiel führen beim Verfahren DLMS (= Direktes Metall Lasersintern) zur Rissbildung. Im Verlauf der Abkühlung reißt die Oberfläche, weil in der Regel bei Raumtemperatur gearbeitet wird. Dann ist eine zusätzliche Wärmebehandlung nötig, um den entstandenen Stress wieder aus dem Material zu entfernen.

3. Die gute Vorbereitung

Schon im Vorfeld ist es wichtig, dass sich alle Beteiligten detailliert über das Bauteil austauschen. So müssen vielleicht nicht sämtliche Oberflächen perfekt sein. An später nicht sichtbaren Stellen können Flächen durchaus holprig ausfallen, ohne die Funktion des Bauteils zu stören. Wenn solche Optionen bekannt sind und eingeplant werden können, werden auch Projekte möglich, die bislang unrealistisch waren. Ein anderes Beispiel: Bohrungen könnten nachträglich eingefügt werden, wenn sie additiv nicht in der richtigen Qualität realisierbar sind. Solche Details können sich stark auf die Kosten auswirken und über den Erfolg eines Projektes entscheiden.

4. Aufmaß und Machining

Manches funktioniert einfach nicht im 3D-Druck. Wer das vorab weiß, erspart sich viel Aufwand und Frust. So lassen sich planare Oberflächen nicht drucken. Auch Gewinde werden im additiven Verfahren nicht schön. Diese sollten also besser geschnitten werden. Die Grundsatzfrage lautet meist: Wann produzieren wir maschinell - und wann drucken wir besser? Generell sind subtraktive Verfahren bei hoher Genauigkeit sinnvoll. Das gilt zum Beispiel für Passungen und Gewinde. Sehr große Präzision lässt sich additiv nur mit hohen Kosten erreichen. Das rechtfertigt ihre Wahl vor allem bei einer Serienfertigung.

5. Die richtige CAD-Datei

Die meisten Drucker lesen das Dateiformat STL. Die Ausgabe der Konstruktionsprogramme geschieht aber in der Regel in Formaten wie STEP oder Parasolid. Diese müssen also erst in STL konvertiert werden, wobei immer wieder Fehler passieren. Die Auflösung ist viel zu gering, so dass später Kanten sichtbar werden. Außerdem umfasst die Dateigröße schnell mehr als 100 MB. Ein Versenden per Email wird damit fast unmöglich. Der Trick: Die CAD-Datei wird zunächst in STEP exportiert. Danach erst erfolgt eine STL-Aufbereitung, um die richtige Auflösung zu erhalten.

Niko Mroncz, Xometry Europe, Ottobrunn