Biologisierung der Technik

Ein Projekt der CENIT AG und der Technischen Universität Hamburg

Bäume als effiziente Stützstrukturen in der additiven Fertigung (BEST)

Die Biologisierung der Technik gewinnt in der Material-, Werkstoff- und Produktionsforschung zunehmend an Bedeutung. Die sogenannte Bioinsipration zielt auf den Transfer von biologischen Prozessen und Prinzipien auf die Technik ab. Im internationalen Vergleich nimmt Deutschland in diesem Forschungsfeld mit seiner exzellent aufgestellten Grundlagenforschung eine sehr gute Position ein, die es nun in nachhaltige industrielle Wertschöpfung umzusetzen gilt. Hier setzt das Projekt BEST an.

Das Vorhaben auf einen Blick

Ideenwettbewerb

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert mit dem „Ideenwettbewerb Biologisierung der Technik“ Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsprojekte, die einen klar erkennbaren Bezug zur Material- und Werkstoffforschung oder Produktionsforschung aufweisen.

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Projekt BEST

Das Projekt „Bäume als effiziente Stützstrukturen in der additiven Fertigung (BEST)“ wurde von der CENIT AG in Zusammenarbeit mit dem Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik der Technischen Universität Hamburg durchgeführt und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert (Förderkennzeichen: 02P20E240). Das Projekt startete im dritten Quartal 2022 und endete im November 2023.

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Projektaufgaben

Die CENIT AG entwickelte und implementierte einen Basisalgorithmus und ein Tool, mit dem Stützstrukturen im 3D-Druck erstellt werden können.
Die Technische Universität Hamburg erarbeitete die Simulation und die Gestaltungsregeln für das Tool.

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Herausforderungen in der additiven Fertigung

Die additive Fertigung gewinnt mit jährlich zweistelligen Marktwachstumsraten in Industrie und Handwerk zunehmend an Bedeutung. In der additiven Fertigung mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M) werden Stützstrukturen benötigt, um komplexe Geometrien erfolgreich herstellen zu können. Die aktuell verfügbaren Stützstrukturen erfüllen ihre Aufgaben nicht optimal. In der Einzel- und Kleinserienfertigung von Bauteilen führt das entweder zur Überdimensionierung der Stützstrukturen oder zu Fehldrucken. Hinzu kommt: Der erhöhte Materialverbrauch steigert die Kosten und verlängert die Druckzeiten. Das stellt insbesondere kleine und mittlere Unternehmen vor große Hindernisse.

Lösungsansatz: Algorithmische Botanik

Um Unternehmen in der additiven Fertigung die Sicherheit einer „first-time-right“-Produktion zu ermöglichen, ist die Gestaltung optimaler Stützstrukturen auf Basis von Simulationen von großer Bedeutung. Eine Lösung stellen Baumstrukturen dar: Sie sind hochgradig ressourceneffizient und können durch Ansätze aus der algorithmischen Botanik beschrieben werden. Die algorithmische Botanik hat Methoden entwickelt, um biologisches Wachstum durch Algorithmen zu beschreiben. Vorarbeiten haben gezeigt, dass die optimalen Strukturen eine baumähnliche Geometrie aufweisen.

Darum ging es bei BEST

Vorhabenziel

Das Vorhaben hatte zum Ziel, ein computergestütztes Tool zu entwickeln, das bioinspirierte Stützstrukturen für ein gegebenes Bauteil generiert. Dazu wurden Simulation und generatives Design mittels algorithmischer Botanik verknüpft und Baumstrukturen durch algorithmisches, biologisches Wachstum erzeugt. Aufgrund der charakteristischen hohen Eigenspannungen der Titanlegierung Ti-6Al-4V bei der additiven Verarbeitung konzentrierte sich die Projektarbeit auf diesen Werkstoff. Das Vorhaben wurde mit einer physischen Demonstration abgeschlossen.

Vorgehensweise

Die digitale Erzeugung von individuellen Baumstützstrukturen gliedert sich in zwei Hauptbereiche:

Schritt 1

Zuerst muss die Fertigungssituation eines Bauteils mittels Simulation erfasst werden.

Schritt 2

Anschließend werden die Simulationsergebnisse verarbeitet und zur Strukturgenerierung mittels biologischem Algorithmus übergeben. Dabei kommt der Basisalgorithmus zum Einsatz und wird durch spezifische Regeln ergänzt, die das freie Wachstum beeinflussen und sowohl durch Berechnung als auch Experimente erarbeitet werden.

Schnittstellen zur Softwareumgebung CENITs ermöglichen eine schnelle und gezielte Integration der Ergebnisse in den Design- und Datenvorbereitungsprozess in der Industrie.

Ansatz des umgekehrten Wachstums

Im Projekt BEST wurden Stützstrukturen für Titanbauteile entwickelt. Die Herausforderung dabei: Der hohe Schmelzpunkt des Materials von über 1600°C kann zu Verformungen im Bauteil führen.

Die Hauptaufgaben der Stützstrukturen sind:

die gleichmäßige Ableitung der Wärme
die Aufnahme der entstehenden Spannungen
das Abstützen geometrischer Überhänge

Bewährt hat sich der Ansatz des umgekehrten Wachstums. Der entwickelte Algorithmus lässt die baumgleiche Stützstruktur umgekehrt von der Krone bis zum Stamm wachsen.

Projektergebnisse

Die Ergebnisse des Projekts BEST zeigen, dass biologische Prinzipien den innovativen PBF-LB/M Prozess erfolgreich unterstützen können.

Hohe Ressourceneffizienz

Ein wesentlicher Vorteil der BEST-Strukturen besteht in der Ressourcenschonung: Bis zu 85 Prozent Material konnten im Vergleich zu bisher verfügbaren Stützstrukturen eingespart werden. Daraus resultiert ein großes Potential zur Kostenreduzierung. Einerseits durch verringerte Materialkosten, andererseits durch verkürzte Fertigungszeiten.

Neues Softwaretool

Benutzende haben die Möglichkeit, die Baumgenerierung mit bis zu zehn Parametern schnell und unkompliziert zu beeinflussen und die generierten Strukturen unmittelbar zu visualisieren. So können Überdimensionierungen und Druckabbrüche minimiert und passgenaue, leistungsstarke und ressourceneffiziente Stützkörper hergestellt werden. Die BEST-Software speichert Baum und Bauteil als Volumenkörper im STEP-Format. Damit eröffnen sich neue Perspektiven für eine effiziente und automatisierte Nachbearbeitung und Qualitätssicherung in der additiven Fertigung.

Ergebnisverwertung

Für die Forschung

Die Ergebnisse

werden in Form des Tools verfügbar gemacht, damit auch Unternehmen mit wenig Erfahrung in PBF-LB/M effiziente Stützstrukturen erstellen und nutzen können.
werden mittels wissenschaftlicher Publikationen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.
können im Rahmen weiterführender Forschungsvorhaben vertieft und auf andere Materialien, Fertigungsverfahren und Themengebiete übertragen werden.

Bei der CENIT AG

Die Ergebnisse

werden in zukünftigen Kundenprojekten CENITs angewandt, um den Kunden Wettbewerbsvorteile durch verkürzte Fertigungszeiten sowie geringeren Material- und Energieverbrauch zu erschließen.
dienen der Weiterentwicklung der FASTSUITE E2, einer 3D-Simulationsplattform entwickelt von CENIT.
tragen zusätzlich zur Stärkung der Trainings- und Beratungskompetenz von CENIT bei.