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10.05.2017 | Additive Fertigung | Im Fokus | Onlineartikel

3D-Druck fordert zu neuem Denken heraus

Autor:
Dieter Beste

Additive Manufacturing eröffnet Konstrukteuren komplexe Gestaltungsmöglichkeiten und die Integration von Funktionen bereits im Produktentstehungsprozess. Und in der Fertigung lässt ein innovatives 3D-Druck-Konzept aufhorchen.

Um dem rasanten Wachstum der neuen Technologie gerecht zu werden und der Fachwelt eine Plattform für Forschungs- und Entwicklungsergebnisse zu schaffen, fand vor zwei Jahren erstmals der Kongress Rapid.Tech statt. In "Neue Entwicklungen in der Additiven Fertigung" zeichnen die Springer-Autoren die dort geführten Diskussionen fachlich verlässlich in nach dem Double-blind-Review-Verfahren begutachteten Beiträgen nach. Jetzt ist es wieder so weit: vom 20. bis 22. Juni findet die Rapid.Tech 2017 zusammen mit der Fachmesse FabCon 3.D in Erfurt statt.

Aufgrund der schichtweisen Bauteil-Herstellung beim Additive Manufacturing (AM) "ergeben sich zahlreiche Vorteile, wie zum Beispiel die Herstellung von hochkomplexen Bauteilen oder Leichtbaustrukturen nach bionischem Vorbild, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht oder nur mit großem Aufwand zu fertigen wären", resümieren die Herausgeber Gerd Witt, Andreas Wegner und Jan T. Sehrt in ihrem Vorwort zu "Neue Entwicklungen in der Additiven Fertigung". Um jedoch diese Potenziale zu nutzen, sei "eine veränderte Denkweise in der Konstruktion notwendig", merkt jetzt Detmar Zimmer, Inhaber des Lehrstuhls für Konstruktions- und Antriebstechnik an der Universität Paderborn, im Vorfeld der diesjährigen Rapid.Tech an.

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Detmar Zimmer wird am 20. Juni in Erfurt das Fachforum Konstruktion ausrichten. Dank der hohen Gestaltungsfreiheit könne sich der Konstrukteur mehr als bisher auf die Funktionsfähigkeit eines Bauteils konzentrieren. So ließen sich beispielsweise komplexe Geometrien drucken, die mit herkömmlichen CAD-Tools nicht zu konstruieren seien, sagt Zimmer, jedoch müsse der Konstrukteur "verfahrensbedingte Restriktionen und Prozessparameter beachten, damit zum Beispiel sehr dünnwandige Teile stabil gefertigt werden können." Zimmer verweist darauf, dass inzwischen schon Richtlinien erarbeitet wurden, die den noch jungen Prozess des 3D-gerechten Konstruierens unterstützen, aber "wir haben hier nach wie vor viel Arbeit vor uns und brauchen dafür weiterhin den anwendungsorientierten Austausch zwischen Wirtschaft und Wissenschaft auf hohem Niveau."

Wagnis 3D-Druck in der direkten Fertigung

Nicht nur in der Konstruktion, auch in der Fertigung ist neues Denken gefragt, denn AM-Verfahren werden in der direkten Fertigung von Endprodukten noch nicht entsprechend ihres Potenzials eingesetzt. Ihr Manko: Additiv hergestellte Bauteile müssen häufig aufwendig nachbearbeitet werden und weisen im Vergleich schlechte mechanische Eigenschaften auf. Im Projekt "Mehrachsiger 3D-Druck", das über das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des BMWi gefördert wurde, haben nun Wissenschaftler der Technischen Hochschule Köln zusammen mit Praktiker der GRIP GmbH Handhabungstechnik an einer Lösung dieser Probleme gearbeitet.

"Additive Fertigungstechniken wie der Extrusions-3D-Druck könnten ein wesentlicher Bestandteil der digitalen industriellen Revolution sein, werden aber zurzeit vor allem für die Herstellung von Prototypen verwendet", sagt Ulf Müller, Leiter des Labors für Fertigungssysteme der TH Köln. "In unserem Forschungsprojekt setzen wir auf einen mehr-achsigen Druckvorgang statt der bislang verwendeten drei Achsen und haben ganz neue Fertigungsstrategien entwickelt."

Nicht der Druckkopf, das Werkstück wird geführt.

Beim drei-achsigen Druck ist das Werkstück fixiert, und der Druckkopf trägt aufgeschmolzenen Kunststoff schichtweise von unten nach oben auf. Im neuen Verfahren wird das Werkstück von einem Gelenkarmroboter mit sechs Achsen geführt, der Druckkopf kann seine Position zudem auf einer weiteren Achse verändern. "Dadurch, dass wir das zu fertigende Objekt frei um den Druckkopf bewegen können, minimieren wir die Beschränkungen, denen 3D-Druck bislang unterliegt", so Müller.

Der herkömmliche 3D-Druck benötigt sogenannte Stützstrukturen, um frei schwebende Elemente des Bauteils so lange zu stabilisieren, bis der geschmolzene Kunststoff ausgehärtet ist. Diese müssen anschließend aufwendig mechanisch oder chemisch entfernt und können nicht recycelt werden. So entstehen hohe Kosten durch zusätzliches Material, erhöhte Bearbeitungsdauer und zusätzliche Arbeitsschritte. Zudem wird im 3D-Druck ein Objekt bislang dadurch erzeugt, dass Kunststoffbahnen horizontal aufeinander gesetzt werden. Diese sind nicht entsprechend der Belastungen angelegt, denen das Objekt später ausgesetzt ist. Deshalb können im Einsatz die Strukturen im Extremfall versagen.

Zeitersparnis und Qualitätsverbesserung 

"Der größte Vorteil unserer Vorgehensweise ist, dass wir nicht mehr darauf beschränkt sind, einen Körper ausschließlich von unten nach oben aufzubauen. Stattdessen fügen wir das Material immer dort hinzu, wo es entsprechend der Fertigungsstrategie am sinnvollsten ist", sagt Müller. Ein Bauteil könne deshalb so gefertigt werden, dass überhängende Strukturen immer durch das Werkstück selbst gestützt würden. Stützstrukturen werden so weitgehend unnötig. In Tests erzielte die Methode eine Zeitersparnis von bis zu 80 Prozent.

Die neue Flexibilität ermöglicht es nach Angaben der Kölner Forscher aber auch, die Kunststoffbahnen exakt nach den späteren Belastungsrichtungen und den daraus resultierenden bauteilinternen Spannungen auszurichten. So werde etwa zunächst der innere Kern komplett erstellt und anschließend eine Außenschicht beanspruchungsgerecht aufgebracht. Besonders belastete Bauteile könnten durch mehrere, um 90 Grad versetzte Schichten verstärkt werden und seien so robuster gegen Verbiegungen und Verdrehungen. In Laborexperimenten konnten die Wissenschaftler Festigkeitssteigerungen in einem Bauteil um bis zu 28 Prozent nachweisen. Ihren Fertigungs-Prototypen zeigt das Forscherteam am 18. Mai auf dem Innovationstag Mittelstand des BMWi in Berlin.


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