Lasersintern Für die Funktion konstruieren und additiv fertigen

Das Additive Manufacturing (AM) ermöglicht es,Bauteile mit bisher nicht erreichbaren Funktionalitäten und Freiheitsgraden herzustellen.

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LayerWise N.V.

Heute werden innovative Lösungsansätze sowie die Umsetzung von Simulationsergebnissen durch die Limitierungen der subtraktiven Fertigungsmöglichkeiten deutlich eingeschränkt. Wirkliche Innovationssprünge sind so nur schwer zu erzielen.

Seit einigen Jahren ist Metall Additive Manufacturing als generatives Fertigungsverfahren die Technologie der Wahl, um neue Wege zu beschreiten. Der Begriff Additive Manufacturing (AM) beschreibt dabei die Familie der Generativen Fertigungsmethoden, die im Metallbereich als SLM (Selective Laser Melting) oder EBM (Electro Beam Melting) bezeichnet werden. Im Gegensatz zu subtraktiven Fertigungsverfahren ist beim AM Metallpulver die Basis. Dieses wird in dünnen 2D-Schichten mit Hilfe eines Lasers geschmolzen. Durch Aufeinanderstapeln dieser Schichten entsteht ein 3D-Körper, dessen Materialeigenschaften einem Halbzeug in nichts nachstehen. Im Fertigungsprozess wird jeder Raumpunkt mit dem Laser erreicht und dort kann entschieden werden, ob massives Material erzeugt wird oder nicht. Dies ermöglicht freie Formgebung, filigrane Strukturen, Hinterschnitte und Hohlräume – Einschränkungen durch die Zugänglichkeit für Werkzeuge oder die Geometrieabhängigkeit in der Gestaltung von Gussteilen entfallen.

Als Werkstoffe stehen heute Edelstähle, Werkzeugstähle, Supper Alloys wie z.B. Inconel 718, Titan und Titanlegierungen, Cobald-Crom-Stahl aber auch Wolfram und Tantal zur Verfügung. Diese Palette wird kontinuierlich erweitert. Aus dem Prozess heraus, ohne Nachbearbeitung, werden Genauigkeiten von +/-0,1 % bei einem Minimum von +/-50 µm, und in Serienanwendungen auch +/-30 µm erreicht. Die Oberflächen haben einen Ra von 4 µm bis 8 µm. Genauigkeit und Oberflächenqualität lassen sich durch Nachbearbeitungsprozesse noch verbessern. Grundsätzlich können an mit AM gefertigten Bauteilen alle Nachbearbeitungen durchgeführt werden, die auch bei Halbzeugen Anwendung finden.

Additive Fertigung als Dienstleistung

Layer Wise ist seit sechs Jahren als Fertigungs-Dienstleister im Bereich Metall Additive Manufacturing tätig. Gegründet als Spinoff der Universität Leuven, stehen Technologie und Prozessentwicklung für den AM-Prozess selber, die Qualifizierung neuer Materialien, Konstruktionsschulung und -unterstützung, Nachbearbeitung und Entwicklung von Prozessen für die Nachbearbeitung als Dienstleistung zur Verfügung. Dabei sind heute schon 90 % aller gefertigten Bauteile Serienbauteile, bei denen die Stückzahlen bereits einige 10.000 pro Jahr erreichen.

Ausgangspunkt ist immer ein 3D-Datensatz, der in verschiedenen Formaten vorliegen kann, eine 2D-Zeichnung zur Veranschaulichung der benötigten Toleranzen und Oberflächen ist obligatorisch. In den anschließenden Gesprächen mit Geschäftsführern, Konstrukteuren oder Prozessingenieuren werden alle weiteren Anforderungen aufgenommen, die vor allem bei nicht für AM konstruierten Bauteilen zu einer deutlichen Optimierung führen können. Der fertige 3D-Datensatz dient dann als Basis für die Maschinenprogrammierung.

Feder und Radnabe als Beispiel

Eine herkömmliche Feder für einen Teleskopspiegel (Durchmesser ca. 120 mm) ist in AM nicht besser und kostengünstiger herzustellen als konventionell – die große funktionslose Masse ist dafür ein Hauptgrund. Die Betrachtung der eigentlichen Funktion des Bauteils – Feder – und die gezielte Optimierung dieser Funktion für die Anwendung ohne auf die Herstellbarkeit zu achten, führt zu einem dreieckigen Hohlprofil, das konventionell in dieser Form nicht herstellbar ist. Die mittels AM hergestellte Feder ist von der Geometrie her deutlich komplexer als die alte Feder, hat nur 30 % der ursprünglichen Masse bei gleichen Federeigenschaften.

Für einen Formula-Student-Rennwagen der Bergakademie Freiberg wurde von den Studenten die Radnabe topologieoptimiert. Dabei war der Ansatz des AM immer gegenwärtig, die Funktion und vor allem die Gewichtsersparnis standen im Focus. Das Ergebnis ist ein AM-Bauteil das bei erweitertem Funktionsumfang mehr als 30 % leichter ist.

Der Konstrukteur muss die Scheuklappen der herkömmlichen Fertigungsverfahren ablegen und sich auf die Funktion konzentrieren. Dazu sollte er für ein perfektes Resultat auch die wenigen Limitierungen des AM-Verfahrens kennen. Die grundlegendste Einschränkung des Verfahrens ist, dass nicht frei im Pulver eine Schicht begonnen werden kann. Wenn das gefordert ist, muss mit Stützstrukturen gearbeitet werden, was zu Nacharbeit und rauen Oberflächen führt.

Konstruieren für die Funktion

Eine Konzentration auf die Funktion ohne den Formgebungsprozess zu berücksichtigen, ist der vielversprechendste Ansatz. Dabei gilt es, sich nicht nur auf ein Teil zu konzentrieren, sondern auf die ganze Baugruppe. Das Ergebnis dieser Vorgehensweise sind 100 % funktionale Bauteile mit bionischen, monolithischen, miniaturisierten und strömungs-, last- sowie gewichtsoptimierten Eigenschaften. Die entscheidenden Vorteile sind integrale Funktionalität, minimierte Wartung, einfache Herstellbarkeit, möglicher Materialwechsel und kundenspezifische Ausführungen.

Kann bei der Verwendung konventioneller Fertigungsverfahren oft nicht die volle Leistungsfähigkeit eines simulierten Bauteils umgesetzt werden, so ermöglicht AM hier eine nahezu 100-%-Umsetzung der Simulationsergebnisse. Dabei bedeutet steigende Komplexität bei AM nicht, dass auch die Herstellkosten steigen. Auch wenn Simulationsergebnisse und bionische Ansätze hier viel tiefer in die Konstruktion integriert werden können, ist der Konstruktionsprozess für AM-Bauteile fast identisch zu dem in der konventionellen Fertigung. Ausgehend von der Funktion und den Randparametern wird mit der CAD-Modellierung begonnen. Die Integration von Simulationsergebnissen und AM-spezifischen Freiheitgraden führt dann zum 3D-Modell.

Layer Wise unterstützt mit Workshops und Residential Engineers, die das nötige Fachwissen den Konstrukteuren im Unternehmen vermitteln und die helfen, neue Wege zu denken. Die Erfahrung lehrt, das dann plötzlich nicht mehr die Vorstellungskraft des Konstrukteurs oder die Fertigung das Nadelöhr sind, sondern die Umsetzung im CAD – AM hat das Potenzial, den CAD-Support an seine Grenzen zu bringen. Aus diesem Grunde bietet Layer Wise auch Co-Engineering an, bei dem die Kunden den Funktionsteil und Layerwise das spezifische AM-Design beisteuern, um so zusammen das optimale Ergebnis zu erreichen. (qui)

* Marcus Felsch, Layer Wise, Nieder­lassungsleiter Köln.

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