Stützstrukturen in der additiven Fertigung, die dem natürlichen Baumwachstum nachempfunden sind, sind hochgradig ressourceneffizient, ohne Funktionalität einzubüßen. Vom Baumwachstum inspiriert entwickelt Cenit in Zusammenarbeit mit der TU Hamburg einen Basisalgorithmus und ein Tool, das solche Stützstrukturen erstellt. Ziel des Förderprojektes „Bäume als effiziente Stützstrukturen in der additiven Fertigung (BEST)“ ist, die Stützkonzeption für den 3D-Druck von Titanbauteilen zu optimieren.
In der additiven Fertigung mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M) werden Stützungen benötigt, um komplexe Geometrien erfolgreich herstellen zu können. Die aktuell verfügbaren Stützstrukturen erfüllen ihre Aufgaben nicht optimal. In der Einzel- und Kleinserienfertigung von Bauteilen führt das entweder zur Überdimensionierung der Stützstrukturen oder zu Fehldrucken. Hinzu kommt: Der erhöhte Materialverbrauch steigert die Kosten und verlängert die Druckzeiten. Das stellt insbesondere kleine und mittlere Unternehmen vor große Hindernisse.
Algorithmische Botanik schafft Vorteile für die additive Fertigung
Diesen Herausforderungen begegnet das Projekt BEST mit Stützstrukturen, die dem natürlichen Baumwachstum nachempfunden sind. Diese sind hochgradig ressourceneffizient, ohne Funktionalität einzubüßen. „Untersuchungen haben gezeigt, dass die optimalen Strukturen eine baumähnliche Geometrie aufweisen“, erklärt Jochen Michael, Senior Consultant bei Cenit, den Ansatz. In der Projektarbeit erzeugt das Unternehmen 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. Wegen der hohen Eigenspannungen bei der additiven Verarbeitung konzentriert sich das Projekt auf Titanbauteile mit der Legierung Ti-6Al-4V.
Herausforderungen bei der additiven Fertigung mit Titan
Die Herausforderung dabei: Der hohe Schmelzpunkt des Materials von über 1600°C kann zu Verformungen im Bauteil führen. Die Hauptaufgaben der Stützstrukturen bestehen deshalb 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. „Der entwickelte Algorithmus lässt die baumgleiche Stützstruktur umgekehrt von der Krone bis zum Stamm wachsen“, beschreibt Michael die Funktionsweise des eigens entwickelten Tools.
Eines der zentralen Ergebnisse des Projekts ist das Tool zur Erstellung von bioinspirierten Stützstrukturen. Damit gelingt es, eine optimierte Stützkonzeption zu entwickeln und die Ressourceneffizienz der additiven Fertigung mit verkürzten Fertigungszeiten sowie geringerem Material- und Energieverbrauch weiter zu erhöhen. Die Erkenntnisse werden in zukünftigen Kundenprojekten Cenits angewandt und dienen der Weiterentwicklung der Fastsuite Edition 2, Cenitss 3D-Simulationsplattform für die Digitale Fabrik.
Mehr zum Projekt BEST
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert mit dem Ideenwettbewerb „Biologisierung der Technik“ Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsprojekte, die einen klar erkennbaren Bezug zur Material- und Werkstoffforschung oder Produktionsforschung aufweisen. Eines dieser Vorhaben ist das Projekt „Bäume als effiziente Stützstrukturen in der additiven Fertigung (BEST)“, das von der Cenit AG in Zusammenarbeit mit dem Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik der Technischen Universität Hamburg durchgeführt wird. Der Projektauftakt fand im Q3/2022 statt, das Projektende ist für Q2/2023 vorgesehen. (eve)
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