Bäume als Vorbilder für Stützstrukturen im 3D-Druck

Additive Fertigung von Metallbauteilen Bäume als Vorbilder für Stützstrukturen im 3D-Druck

07.03.2023 Quelle: Pressemitteilung Cenit

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CENIT AG

Der Digitalisierungs-Berater Cenit und die TU Hamburg wollen die Stützkonzeption für die additive Fertigung von Titanbauteilen optimieren. Dafür entwickelt sie, inspiriert vom natürlichen Wachstum der Bäume, einen Basisalgorithmus und ein Tool, das baumähnliche Stützstrukturen für den 3D-Druck erstellt.

Der entwickelte Algorithmus wendet die Prinzipien des umgekehrten Wachstums an: die baumgleiche Stützstruktur wächst somit von der Krone zum Stamm hin.
(Bild: Cenit)

In der additiven Fertigung mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen von Metallen (LPBF) werden Stützungen benötigt, um komplexe Geometrien erfolgreich herstellen zu können. Die aktuell druckbaren Stützstrukturen erfüllen ihre Aufgaben nicht optimal. Das führt entweder zur Überdimensionierung der Stützstrukturen oder zu Fehldrucken der Bauteile. Ein erhöhter Materialverbrauch, gesteigerte Kosten und verlängerte Druckzeiten sind die Folge. Die Cenit AG will das gemeinsam mit dem Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik der Technischen Universität Hamburg ändern. Im vom BMBF geförderten Projekt BEST arbeiten sie an Stützstrukturen, die dem natürlichen Baumwachstum nachempfunden sind.

Algorithmische Botanik im Fokus

Wie Cenit mitteilt, haben Untersuchungen gezeigt, dass baumähnliche Geometrien zu optimalen Stützstrukturen führen. Diese seien hochgradig ressourceneffizient, ohne Funktionalität einzubüßen. Im Projekt erzeugt Cenit Stützstrukturen auf Basis von 3D-Simulationen, die zuvor von der TU Hamburg berechnet wurden. Im Ergebnis wird durch die Verknüpfung von Simulation, generativem Design und algorithmischer Botanik ein computergestütztes Tool entwickelt, das baumförmige Stützstrukturen für additiv gefertigte Bauteile generiert.

Am Beispiel von Titanbauteilen entwickelt

Die Hauptaufgaben der Stützstrukturen bestehen in der gleichmäßigen Ableitung der Wärme, der Aufnahme entstehender Spannungen und dem Abstützen geometrischer Überhänge. Für diese Problemlage wendet das Projekt BEST die Prinzipien des umgekehrten Wachstums an. Das heißt, der entwickelte Algorithmus lässt die baumgleiche Stützstruktur umgekehrt von der Krone bis zum Stamm wachsen.

Das Projekt konzentriert sich auf Titanbauteile mit der Legierung Ti-6Al-4V. Ihr hoher Schmelzpunkt von über 1600°C führt zu hohen Eigenspannungen bei der additiven Verarbeitung und kann zu Verformungen im Bauteil führen. Mit dem Tool zur Erstellung von bioinspirierten Stützstrukturen soll es gelingen, eine optimierte Stützkonzeption zu entwickeln.

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