Die additive Fertigung (AF) kann dann ihre Vorteile am besten ausspielen, wenn die Bauteile von Grund auf dafür konstruiert werden. Das ist allgemein bekannt. Aber wie stark dieser Faktor – zusammen mit anderen Optimierungsmaßnahmen – sowohl die technischen Eigenschaften als auch die Kosten des fertigen Bauteils beeinflussen kann, wird auch manchen Experten überraschen.
Das Fraunhofer IAPT hat jetzt anhand einer Fallstudie für die Türaufhängung eines Sportwagens die Einflussgrößen für die Bauteilkosten Schritt für Schritt ermittelt.
Mithilfe eines eigens entwickelten Software-Tools, das von dem mittlerweile erfolgreich ausgegründeten Spin-off 3D Spark angeboten wird, haben die Fraunhofer-Ingenieure das geeignete Bauteil zunächst identifiziert.
Kostenoptimale Bauteilorientierung im 3D-Druckprozess
In einem sehr frühen Stadium des Designs bestimmten die Experten dann die kostenoptimale Bauteilorientierung im 3D-Druckprozess. Mithilfe der optimierten Ausrichtung konnten sie den Nacharbeitsumfang reduzieren und gleichzeitig die Anzahl der auf eine Bauplattform passenden Bauteile maximieren. Die so identifizierte Bauteilorientierung führt – im Vergleich zur additiven Fertigung ohne diese Optimierung – zu einer Kosteneinsparung von 15 Prozent.
Im nächsten Schritt wurde die Struktur des Gelenkarms zielgerichtet optimiert und die Tatsache ausgenutzt, dass die additive Fertigung ganz neue Bauteilgeometrien ermöglicht. Dadurch erhielt das Bauteil eine Grundgestalt, die nur dort Material enthält, wo der simulierte Kraftfluss es benötigt. In Summe reduziert sich dadurch das Gewicht des Türgelenks um 35 Prozent. Wegen des verringerten Materialbedarfs und einer kürzeren Druckzeit sinken die Kosten im Vergleich zum 3D-Druck ohne Strukturoptimierung um weitere 20 Prozent vom Ursprungswert.
Jede Stützstruktur, die nicht entfernt werden muss, spart Zeit und damit erhebliche Kosten, die durch die stark manuell geprägte Nachbearbeitung entstehen. Ein stützstrukturoptimiertes Design wirkt sich zugleich positiv auf Fertigungszeit und Materialbedarf aus und senkt damit die Kosten abermals um 10 Prozent. Die geschickte Auswahl des optimalen Materials aus dem immer breiteren Portfolio an 3D-Druck-fähigen Werkstoffen ermöglicht eine weitere Kosteneinsparung von 10 Prozent.
Prozessparameter eröffnen weitere Möglichkeiten
Die Anpassung der AF-Prozessparameter eröffnet weitere Möglichkeiten, die Kosten zu reduzieren. So senken die höhere Schichtstärke beim Druck sowie die Anpassung des Laserstrahlprofils die Bauzeit deutlich. Das führt zwar zu leichten Einbußen der Bauteilqualität, die jedoch weiterhin über der von Gussbauteilen liegt, und zur Senkung der Druckkosten um weitere 15 Prozent. Die Optimierung der Maschinenauslastung durch Verschachtelung und ggf. Stapelung im Bauraum, das Nesting, führt zu einer weiteren Kosteneinsparung von 10 Prozent.
80 Prozent günstigere Fertigung
Das Fazit des Fraunhofer IAPT-Projekts: Additiv gedachtes Design und das durchgängige Verfolgen eines „Design-to-cost“-Ansatzes ermöglichen eine um 80 Prozent günstigere Fertigung des Gelenkarms (im Vergleich zu einem 3D-Druck-Bauteil ohne diese Optimierungen). Dieser Wert teilt sich folgendermaßen auf: Orientierungs- und Strukturoptimierung sowie die Supportreduzierung tragen dazu 45 Prozent bei. Optimierte Materialauswahl, Speed-Parameter und Auslastungsmaximierung im AF-Prozess reduzieren die Kosten noch einmal um weitere 35 Prozent.
Das Fraunhofer IAPT konnte zeigen, dass eine Kostenreduktion der additiven Fertigung um einen Faktor fünf machbar ist. Gleichzeitig konnte die technische Performance des Fahrzeugs durch geringeres Gewicht und verbesserte Optik gesteigert werden. Der wichtigste Punkt jedoch ist, dass die Fertigungskosten des Gelenkarms für einen in Kleinserie hergestellten Sportwagen mittels 3D-Druck im Vergleich zum konventionellen Fräsen um 50 Prozent reduziert werden konnten. Die additive Fertigung ist dem Fräsen also nicht nur in der technischen Performance überlegen, sondern auch deutlich kostengünstiger.
Die Ergebnisse dieses Projekts zur systematischen Kostensenkung von AF-Bauteilen lassen sich auf eine Vielzahl von Automobilkomponenten übertragen. Sie demonstrieren, dass die additive Fertigung schon heute in größeren Serien bis 5.000 Stück profitabel eingesetzt werden kann.
Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT
Am Schleusengraben 14
21029 Hamburg
https://www.iapt.fraunhofer.de
