Stützstrukturen verstehen

Stützstrukturen sind das ungeliebteste Element der additiven Fertigung: Sie kosten Material, Zeit und Nachbearbeitung, sie hinterlassen Spuren, und sie werden meist von der Software gesetzt, ohne dass jemand prüft, ob sie an dieser Stelle überhaupt nötig sind. Dabei ist die zugrundeliegende Frage einfach und mechanisch: Wo kann eine Schmelzebahn abgelegt werden, ohne dass sie durchhängt oder abkippt? Wer diese Frage für sein Bauteil beantworten kann, braucht deutlich weniger Stützen als der Voreinstellung lieb ist — und bekommt an den verbleibenden Stellen bessere Ergebnisse.

Der Winkel ist nicht das Kriterium

Die verbreitete Faustregel lautet: Überhänge bis 45 Grad zur Vertikalen gehen stützfrei, darüber braucht es Stützen. Diese Regel stammt aus einer geometrischen Überlegung. Bei 45 Grad und einer Schichthöhe gleich der halben Extrusionsbreite liegt jede neue Bahn noch zur Hälfte auf der darunterliegenden auf. Das ist plausibel, aber es ist nicht das eigentliche Kriterium.

Wir haben einen Winkelfächer gedruckt: dreizehn Zungen von 40 mm Länge, in Fünf-Grad-Schritten von 20 bis 80 Grad zur Vertikalen geneigt, in PLA bei 0,2 mm Schichthöhe, 0,4-mm-Düse, 210 °C, mit voll aufgedrehtem Bauteillüfter. Bis 55 Grad war die Unterseite sauber. Bei 60 Grad zeigte sich leichtes Curling an der Kante, bei 65 Grad deutliche Riefen, ab 70 Grad hing die Bahn sichtbar durch. Bei abgeschaltetem Lüfter verschob sich diese Grenze auf 45 Grad, bei 0,1 mm Schichthöhe und vollem Lüfter auf 62 Grad.

Der wirkliche Parameter ist also nicht der Winkel, sondern die Zeit, die eine frisch abgelegte Bahn braucht, um unter ihre Formstabilitätstemperatur abzukühlen — im Verhältnis zu der Zeit, die vergeht, bis die nächste Schicht auf ihr liegt. Alles, was die Abkühlung beschleunigt oder die Schichtzeit verlängert, verschiebt die Grenze nach oben. Ein hoher Luftstrom hilft, eine niedrige Düsentemperatur hilft, ein zweites Bauteil auf dem Bett hilft, weil es die Zeit pro Schicht verlängert. Ein 15-Millimeter-Türmchen allein auf einer großen Platte ist dagegen der ungünstigste Fall überhaupt.

Brücken sind ein anderes Problem

Ein Überhang wächst schrittweise ins Leere. Eine Brücke überspannt eine Lücke zwischen zwei vorhandenen Auflagern, und dort wirkt ein völlig anderer Mechanismus: Die Bahn wird zwischen zwei Punkten gespannt und durch ihre eigene Oberflächenspannung sowie den Zug des Extruders geradegehalten, während sie erstarrt.

In unserer Reihe mit Spannweiten von 10 bis 60 mm blieb der Durchhang bis 25 mm unter 0,3 mm und war damit optisch unauffällig. Bei 40 mm maßen wir 0,9 mm, bei 60 mm 2,4 mm und zusätzlich zwei gerissene Bahnen. Entscheidend war die Druckgeschwindigkeit der Brückenschicht: Bei 25 mm/s durchhingen die 40-mm-Brücken um 0,9 mm, bei 45 mm/s nur um 0,5 mm. Schnelleres Fahren zieht die Bahn straffer, bevor sie erstarrt. Über 60 mm/s riss sie dagegen häufiger ab, weil zu wenig Material pro Streckeneinheit ankam.

Praktisch heißt das: Brücken bis etwa 30 mm brauchen keine Stützen, wenn die Brückenparameter separat eingestellt sind. Größere Öffnungen lassen sich oft durch eine Konstruktionsänderung entschärfen — eine angeschrägte Oberkante statt einer waagerechten verwandelt eine 50-mm-Brücke in zwei Überhänge von 55 Grad, die beide stützfrei laufen. Das ist fast immer die bessere Lösung als eine Stütze im Inneren eines Bauteils, an die man später nicht herankommt.

Drei Fehlschläge und was sie zeigten

Der erste Fehlversuch war ein 180 mm hoher Leuchtenfuß mit einem auskragenden Arm. Die Software setzte eine Blockstütze unter den gesamten Arm, mit einer Kontaktfläche von rund 40 cm². Der Druck lief durch, aber beim Entfernen brach der Arm an der Ansatzstelle. Die Stütze hatte so gut gehaftet, dass die zum Lösen nötige Kraft größer war als die Festigkeit der Fügefläche zwischen Arm und Fuß. Die Lehre: Der Z-Abstand zwischen Stütze und Bauteil ist kein Detailparameter. Wir arbeiten seither mit 0,2 mm bei 0,2 mm Schichthöhe, also genau einer Schicht Luft. Bei 0,1 mm Abstand ist die Oberfläche schöner und das Bauteil in Gefahr.

Der zweite Fehlschlag betraf Baumstützen — die verzweigten Strukturen, die vom Bett aufsteigen und sich erst kurz unter dem Bauteil in Kontaktpunkte auffächern. Sie sparen erheblich Material: Bei unserem Testobjekt 63 Prozent gegenüber der Blockstütze. Bei einem 210 mm hohen, schlanken Objekt kippte die Baumstütze jedoch in der 140. Schicht seitlich weg, weil ihr Stamm mit 5 mm Durchmesser bei dieser Höhe nicht mehr steif genug war und die Düse ihn bei jeder Fahrt anstieß. Baumstützen brauchen ab etwa 100 mm Höhe entweder einen dickeren Stamm oder eine Querverbindung zum Bauteil.

Der dritte Fall war der lehrreichste, weil hier gar nichts hätte gestützt werden müssen. Ein flacher Deckel mit umlaufender Nut wurde liegend gedruckt und bekam Stützen in der Nut. Dreht man das Bauteil um 90 Grad und stellt es hochkant, verschwinden sämtliche Überhänge — die Nut wird dann als zwei senkrechte Wände und eine 30-mm-Brücke gedruckt. Die Druckzeit sank von 4 Stunden 20 auf 3 Stunden 05, der Materialverbrauch um 22 Prozent, und die Nut war maßhaltiger als im gestützten Durchgang. Die Bauteilorientierung ist der wirksamste Stützparameter, und sie kostet nichts.

Spuren, die bleiben

Auch eine gut eingestellte Stütze hinterlässt eine Oberfläche, die anders aussieht als der Rest des Bauteils. Die Kontaktfläche zeigt eine gleichmäßige Riefenstruktur mit einer Rautiefe, die wir bei PLA im Bereich von 60 bis 90 Mikrometern gemessen haben, gegenüber 12 bis 20 Mikrometern bei einer freien Oberseite. Das lässt sich mit Körnung 240 in wenigen Minuten reduzieren, aber an einer transluzenten Wand oder einer Sichtfläche mit Struktur ist es nicht restlos zu beseitigen.

Deshalb lohnt es sich, die Stützkontakte gestalterisch zu platzieren, statt sie der Software zu überlassen. Wir setzen Stützblocker inzwischen routinemäßig auf alle Flächen, die später sichtbar sind, und lassen die Software die Stützen dorthin verlegen, wo eine Spur akzeptabel ist — Unterseiten, Innenräume, Fügeflächen. Das kostet ein paar Minuten Vorbereitung und erspart oft eine halbe Stunde Schleifen.

Für die nächste Ausgabe planen wir dieselbe Reihe mit einem Resin-Prozess, bei dem die Mechanik grundverschieden ist: Dort hält nicht die Erstarrungszeit das Bauteil, sondern die Abzugskraft beim Ablösen von der Wanne bestimmt, wo eine Stütze steht. Die Regeln, die wir hier gefunden haben, gelten dort vermutlich in keinem einzigen Punkt.