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Additive Fertigung Wie ressourceneffizient kann der metallische 3D-Druck sein?

| Redakteur: Dorothee Quitter

Im neu eröffneten 3D-Drucklabor Metall und Strukturwerkstoffe am Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, (Ernst-Mach-Institut EMI), haben Forscher untersucht, wie ressourceneffizient der Herstellungsprozess ist, wenn Leichtbaukomponenten aus Aluminium additiv gefertigt werden.

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Strukturoptimierter Radträger eines Ultraleichtfahrzeugs
Strukturoptimierter Radträger eines Ultraleichtfahrzeugs
(Bild: Fraunhofer EMI)

Per selektivem Laserschmelzen (SLM) lassen sich am EMI metallische Strukturen mit Abmessungen von bis zu 40 cm additiv fertigen. Wie ressourcenschonend der Herstellungsprozess tatsächlich ist und ob sich etwa Material- und Betriebskosten im Vergleich zu herkömmlichen industriellen Verfahren minimieren lassen, haben die Fraunhofer-Forscher am Beispiel einer praxisnahen Komponente untersucht. Als Bauteil für den Test wurde ein Radträger verwendet, wie er beispielsweise in einem Leichtbaufahrzeug eingesetzt werden könnte. Im Fokus standen die Kennwerte Strom- und Materialbedarf, Fertigungszeit und CO2-Emissionen, die bei einer Kleinserienproduktion von zwölf Radträgern anfallen.

Kombination von additiver Fertigung und intelligentem Leichtbaudesign

Nachdem die Forscher im ersten Schritt einen Designentwurf mithilfe der numerischen Finite-Elemente-Methode (FEM) simuliert, analysiert und die geeignete geometrische Form bestimmt hatten, konstruierten sie den Radträger im optimierten Leichtbaudesign. Das Resultat war ein Radträger, der auf die definierten Lastszenarien ausgelegt ist und eine maximale Performance bietet. Das Ergebnis: Mithilfe der numerisch optimierten Version des Radträgers wurden im Vergleich zum konventionellen Design 15 % der für den additiven Prozess nötigen Energie gespart. Der Strombedarf betrug beim konventionellen Design 12 kWh, beim numerisch optimierten Design nur 10 kWh – der Messwert bezieht sich jeweils auf ein Bauteil der Serienfertigung. Die Fertigungszeit konnte um 14 % sowie die CO2-Emission um 19 % reduziert werden. Mit 28 % fiel die Einsparung beim Material noch deutlicher aus.

Künftig wollen die Wissenschaftler erforschen, inwiefern andere Bauhöhen, Seriengrößen und Werkstoffe wie etwa Titan die Ressourceneffizienz des Herstellungsprozesses beeinflussen. (qui)

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