Additive Fertigung: Filigran Gestalten & Anforderungen erfüllen

„GUTES DESIGN IST EINFACH UND EINFACH IST SCHWIERIGER ALS KOMPLIZIERT.“
[D. RAMS, INDUSTRIEDESIGNER]

Additive Fertigung eröffnet nicht nur viele Möglichkeiten, es lässt uns auch bewährtes hinterfragen:

• Optimiere ich ein bestehendes Bauteil, um es künftig additiv fertigen zu können?
• Gestalte ich ein Bauteil neu, damit es die gleiche Aufgabe erfüllt, aber die Druckzeit und der Materialeinsatz minimiert werden können?
• Wähle ich das Verfahren anhand der Parameter des Bauteils oder gestalte ich das Bauteil anhand der Parameter des Verfahrens?

In Abb. 1 sehen Sie das große Potential Additiver Fertigungsverfahren. Die Gestaltsmodifikation wirkt sich in diesem Fall auf die Reichweite der Drone aus, die durch Gewichtsreduzierung einen größeren und schwereren Akku transportieren kann.

DIE PHYSIK SPIELT EINE HAUPTROLLE

Die additiven Technologien ermöglichen der Gestaltsgebung einen großen Spielraum, dennoch sind sie an physikalische Grenzen gebunden. Ein filigranes Bauteil beispielsweise gesintert mit feinstem Polyamidpulver (SLS – Selektives Lasersintern) kann beeindruckend aussehen. Geschmolzen in Metall (SLM - Selektives Laserschmelzen) kann die filigrane Struktur bis zum letzten Moment eine spannende Sache bleiben. Man befindet sich nahezu bis zum letzten Prozessschritt auf einem schmalen Grat zwischen dem perfekten Bauteil und einem Häufchen heißem Metallschrott.

SIMULIEREN STATT EXPERIMENTIEREN

Im folgenden Beispiel skizzieren wir Ihnen die analytische Vorgehensweise bei der Entwicklung eines einfachen Fahrradvorbaus. Als Ausgangsmaterial wählen wir Aluminium, da unser Fahrrad leicht, aber dennoch robust sein soll. Um es zu verarbeiten nutzten wir ein 3D-Metalldruckverfahren. In der industriellen Fertigung setzt man heutzutage oft Strahlschmelzverfahren ein, wie beispielsweise LPBF „Laser Powder Bed Fusion“, SLM „Selective Laser Melting“ oder DMLS „Direct Metal Laser Sintering“.

METHODE: DESIGN SPACE DESIGNEN

Da wir nur begrenzt Zeit haben und nicht auf die Natur warten können, bis sie für uns ein Fahrrad durch die Evolution geschoben hat, beschleunigen wir den Vorgang ein wenig. Dies erfolgt mittels einer Topologie-Optimierung. Auf den Fahrradvorbau wirken bei einem Bremsvorgang oder bei einem Unfall die größten Kräfte. Der Fahrer wird versuchen sich gegen den Lenker abzustützen; ähnlich wie bei dem Schwarzbärenschädel, wirken die Kräfte auf Zug entlang der Längsachse des Bauteils. Da Zugspannungen erheblich zum Versagen von Bauteilen beitragen, müssen wir dies berücksichtigen. Aus dem Natur-Vorbild leiten wir für unsere Software die Vorgabe für den möglichen Bauraum (Design Space) ab und definieren den entsprechenden Lastfall mit einer ausreichenden Sicherheit. Nun könnte man meinen eine Generatives Design Software und unsere leistungsfähigen Computer nehmen uns viele Überlegungen ab. Das mag auch so korrekt sein, aber wir sollten trotz Autopilot eine Hand am Steuer lassen und auch nicht die unendliche Kreativität der Natur bei der Lösungsfindung vergessen. Ganz konkret bedeutet dies, wir geben der Software eine Richtung vor, in der wir ein erfolgsversprechendes Ergebnis erwarten. Ähnlich wie einem Navigationssystem, dem wir sagen: „Fahre mich nach Wien, aber meide alle Mautstraßen.“ Erst kurz vor dem Ziel verfeinern wir unseren Wunsch und ergänzen: „Hundertwasserhaus“.