3D-Druck und Leichtbaupotenzial
Numerische Designoptimierung bei dynamischen Lastanforderungen für metallische Werkstoffstrukturen und Bauteile
Der 3D-Druck hat in den letzten Jahren enorm an öffentlicher Aufmerksamkeit gewonnen und ist ein wichtiger Baustein des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 der Hightech-Strategie der Bundesregierung. Dabei stehen zwei Merkmale des 3D-Drucks im Vordergrund: die Erzeugung annähernd beliebig komplexer Geometrien mit Hohl- und Innenstrukturen ohne zusätzliche Werk- und Halbzeuge sowie die Fertigung direkt aus einer digitalen Konstruktionsdatei, dem CAD-Modell. Dies alles stellt eine grundlegende Veränderung im Produktions- und Entwicklungsprozess im Vergleich zu klassischen subtraktiven und werkzeugabhängigen Fertigungsverfahren dar.
Im Jahr 2015 wurde am Fraunhofer EMI eine Fertigungsanlage für den 3D-Druck von Metallen mit Bauteilabmessungen von bis zu 400 x 400 x 400 Kubikmillimetern und einer Laserleistung von einem Kilowatt in Betrieb genommen (Abbildungen 1 und 2). Mit diesen Kennwerten stellt sie eine der derzeit größten und leistungsfähigsten kommerziell verfügbaren Anlagen für den Lasersinterprozess dar und ist im Forschungsbereich in dieser Größe ein Unikat.
Der 3D-Druck von Kunststoffen durch verschiedene chemische und physikalische Verfahren des Auftragens und Verfestigens hat sich in vielen Branchen etabliert und vielfältige Anwendungen gefunden. Der 3D-Druck von Metallen ist auf dem Weg, eine ähnliche Erfolgsgeschichte zu schreiben. Aktuell steht die Technologie an der Schwelle von der Herstellung funktioneller Muster, Prototypen und Spezialanwendungen hin zur industriellen Fertigung und Anwendung im Endprodukt.
Die Prognosen, welche Auswirkung die generative Fertigung von Metallen auf die globale Produktion haben wird, gehen dabei stark auseinander. Einigkeit besteht allerdings darin: Für viele Industrien ist sie ein »Game Changer«, dies betrifft nach aktuellem Stand vor allem die Branchen Luft- und Raumfahrttechnik, Wehrtechnik, Fahrzeugtechnik, Medizintechnik und Werkzeugbau.
Hauptunterschied zwischen Metall- und Kunststoffdruck ist, dass für Ersteren eine hochenergetische Energiequelle für den Schmelz- und Verfestigungsprozess benötigt wird. Das selektive Lasersintern ist die führende Methode verschiedener Pulverschmelzverfahren. Dabei wird mit einem fokussierten Laserstrahl Metallpulver auf- und umgeschmolzen. Das Metallpulver erstarrt, und eine neue Pulverlage wird in einer definierten Schichtstärke aufgetragen (Abbildung 3). Auf diese Weise entsteht ein homogenes 3D-Bauteil mit potenziell komplexer Geometrie (Abbildung 4).
» Design follows function«
Die Gestaltungsfreiheit bei dem Strukturdesign für den 3D-Druck führt zu einer neuartigen Entwicklungsstrategie, welche anders als in einem fertigungsbezogenen Entwicklungsprozess die zu erfüllende Funktion einer Komponente in den Vordergrund stellt. Diese Vorgehensweise wird als »design follows function« bezeichnet und bietet enormes Potenzial für neuartige Produktlösungen und Steigerungen der Effizienz und Leistungsfähigkeit von Komponenten. Letzteres wird vor allem in den Branchen Luftfahrt und Automotive oft mit dem Begriff Leichtbau assoziiert.
Für den 3D-Druck gilt nun generell, dass gezielte Vorgaben möglich sind, an welchen Stellen das Ausgangsmaterial, wie z. B. das Metallpulver, fest zu einer Struktur verbunden wird. Um Zeit, Material und Energie zu sparen, sollte man auch nur an solchen Stellen Strukturmaterial erzeugen, an denen es bei dem fertigen Bauteil benötigt wird – damit wird das Leichtbauprinzip zum ökonomischen Imperativ für generative Fertigungsverfahren: Denn einzusetzende Materialmenge, Maschinenzeit und Energieaufwand werden minimiert und ein interessanter Weg zur Steigerung von Nachhaltigkeit und Leistungsfähigkeit in der industriellen Produktion aufgezeigt.