3D-Druck Additiv denken und konstruieren

Autor / Redakteur: Dr. Dirk Herzog, Jannis Kranz, Marten Canisius, Prof. Dr. Claus Emmelmann* / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Um das Potenzial der Additiven Fertigung voll auszuschöpfen, sollten geeignete Bauteile identifiziert und bestimmte Konstruktionsrichtlinien angewandt werden.

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Auswirkung der Orientierung auf die Konturtreue von Bohrungen
Auswirkung der Orientierung auf die Konturtreue von Bohrungen
(Bild: LZN)

Die Additive Fertigung, d. h. die schichtweise Herstellung von Bauteilen direkt aus einem CAD-Modell heraus, ermöglicht heute Produkte mit innovativem Design und neuen Funktionalitäten. Durch den Verzicht auf Werkzeuge oder Formen entfallen klassische Fertigungsrestriktionen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für den Leichtbau, für die Integration neuer Funktionen, und die Optimierung von medienführenden Systemen.

Mit dem heutigen Stand der Technik lassen sich durch industriell erprobte Verfahren, wie zum Beispiel dem Laser- und dem Elektronenstrahlschmelzen neben Prototypen auch Serienbauteile qualitätsgesichert herstellen. Die Additive Fertigung stößt somit in industrielle Einsatzbereiche wie beispielsweise in der Luftfahrt und der Medizintechnik vor, und kann hier bereits für kleine und mittlere Losgrößen eine wirtschaftliche Alternative zur konventionellen Herstellung bieten.

Dennoch weisen auch additive Fertigungsverfahren einige prozessbedingte Fertigungsrestriktionen auf, die Konstrukteure und Designer berücksichtigen müssen. Neben der reinen Fertigbarkeit wird durch die Bauteilkonstruktion auch die Wirtschaftlichkeit maßgeblich beeinflusst.

Wann sich additive Fertigungs- verfahren lohnen

Grundsätzlich sollte die additive Fertigung dann näher in Betracht gezogen werden, wenn Bauteile mindestens eines der folgenden Kriterien erfüllen:

  • Das Produkt kann leichter werden, wenn die Designfreiheit ausgenutzt wird.
  • Das Produkt kann durch Funktionsintegration verbessert oder einfacher hergestellt werden.
  • Das Bauteil weist eine hohe Komplexität auf.
  • Das Bauteil ist konventionell schwierig zu verarbeiten.
  • Das Bauteil wird in geringer Stückzahl, verschiedenen Varianten oder individualisiert hergestellt.

Diese Auflistung ist nicht ausschließlich – so kann sich bspw. auch durch Reduzierung der Lead-Time die additive Fertigung von Produkten und Prototypen lohnen. Der erste Schritt zu einer wirtschaftlichen Anwendung additiver Fertigungsverfahren besteht somit in der Identifikation geeigneter Bauteile. Als Auswahlmethodik kann bspw. in einem ersten Schritt das Leichtbaupotential von Bauteilen abgeschätzt werden, in einem zweiten Schritt das Funktionspotential, gefolgt von einer groben Analyse der Herstellungskosten und –zeit. Auf dieser Basis kann die Wirtschaftlichkeit im Gesamtsystem initial bewertet werden, und aus einem Bauteilspektrum geeignete Kandidaten für die additive Fertigung identifiziert werden.

In der Regel ist es nicht zielführend, die so identifizierten Bauteile mit ihrem bestehenden, für die konventionelle Fertigung optimierten Bauteildesign ohne Änderung für die additive Fertigung zu übernehmen. Eine Ausnahme bildet hier die Fertigung von kleinsten Losgrößen oder die Ersatzteilfertigung. In den meisten Fällen ist dagegen eine Neugestaltung vorzunehmen, um das Potential der additiven Fertigung auszuschöpfen (und um Restriktionen der additiven Fertigung zu berücksichtigen) – z. B. in dem durch eine Topologieoptimierung das Bauteilgewicht reduziert wird. Damit wird gleichzeitig auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht, da der Aufbau großvolumiger Teile eine längere Bauzeit beansprucht und somit auch höhere Kosten verursacht. Eine steigende Komplexität des Bauteils durch Freiformflächen, Hinterschnitte, innenliegende Strukturen und Kanäle oder Leichtbauelemente wie Gitterstrukturen führt dagegen zu praktisch keinen Mehrkosten („complexity for free“).

Fertigungsrestriktionen der Additiven Fertigung

Trotz der unbestreitbar hohen Designfreiheit der additiven Fertigung bestehen selbstverständlich auch bei diesen Verfahren noch Fertigungsrestriktionen, die durch den Kon­strukteur zu berücksichtigen sind. Wesentliche Beschränkungen pulverbettbasierter Verfahren bestehen z. B. in

  • der eingeschränkten Oberflächenqualität,
  • der Einhaltung von Mindestwandstärken,
  • der anlagenabhängigen, maximal möglichen Bauteilgröße,
  • sowie bei metallischen Bauteilen der Notwendigkeit von Stützstrukturen.

Die bspw. im Laserstrahlschmelzen erreichbaren Oberflächenrauheiten sind dabei u. a. von der Orientierung des Bauteils im Bauraum der Maschine abhängig. So lassen sich bspw. für Oberflächen parallel zur Bauplattform Mittenrauwerte von Ra = 3-5 µm (Material: Ti6Al4V) erreichen, während Oberflächen in z-Richtung Mittenrauwerte von Ra = 10-13 µm aufweisen. Nach unten orientierte Oberflächen benötigen zudem ab einem materialabhängigen Überhangwinkel von β = 50-80° eine Abstützung durch Supportstrukturen, und weisen typischerweise höherer Mittenrauwerte auf, als nach oben orientierte Oberflächen. Dies wirkt sich bspw. auch bei Bohrungen aus. Durch die Orientierung des Bauteils können somit Supportstrukturen häufig vermieden oder zumindest reduziert werden. Zudem können Oberflächen mit höheren Anforderungen entsprechend positioniert werden, um den Aufwand für mechanische Nacharbeit zu verringern.

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Konstruktionsrichtlinien erleichtern die Arbeit

Um den Konstrukteur dabei zu unterstützen, seine Bauteile für die additiven Verfahren fertigungsgerecht zu konstruieren, sind am Laser Zentrum Nord (LZN) Konstruktionsrichtlinien verfügbar. Diese geben Anhaltspunkte zur optimalen Bauteilorientierung, aber auch zur Gestaltung von typischen Designelementen wie Wände, Zylinder und Bohrungen. Teile der Richtlinien mit Fokus auf Titanwerkstoffe und Leichtbaustrukturen sind in [1] veröffentlicht, wobei die dort aufgezeigten Grundregeln auf andere Werkstoffe übertragbar sind. Weiteres Potential für Leichtbau und Funktionalität besteht zudem durch Einbindung der Bionik. Hierzu kann beim LZN auf einen umfangreichen Bionikkatalog zurückgegriffen werden, der nach Vorgabe des Anwendungsfalls eine einfache Auswahl bionischer Vorbilder erlaubt sowie Vorschläge für eine technische Abstraktion ableitet. (qui)

Literatur:

[1] J. Kranz, D. Herzog, C. Emmelmann: Design guidelines for laser additive manufacturing of lightweight structures in TiAl6V4. Journal of Laser Applications 27, S14001 (2015)

* Dr. Dirk Herzog, Jannis Kranz, Marten Canisius, Prof. Dr. Claus Emmelmann – alle LZN Laser Zentrum Nord, Hamburg

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