Additive Fertigung von Bauteilen und Strukturen

Nach einem Überblick über den aktuellen Kenntnisstand zur additiven Fertigung erfolgt zunächst eine Werkstoffcharakterisierung sowie die Darstellung physikalischer und mechanischer Eigenschaften von Proben und Bauteilen aus einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung (AlSi10Mg), additiv gefertigt durch Metall-Laserstrahlschmelzen (englisch: Selective Laser Melting, SLM). Anschließend wird insbesondere auf das Ermüdungsverhalten additiv hergestellter Bauteile sowie auf die Einsatzmöglichkeit von SLM zur Substitution der gießtechnischen und zerspanenden Fertigungsverfahren eingegangen.

An einem konkreten Anwendungsfall wird gezeigt, dass Funktionsprototypen bereits heute durch Rapid Prototyping (SLM) hergestellt werden können. Mittels Metall- Laserstrahlschmelzen gefertigte Bauteile haben vergleichbare Ermüdungseigenschaften wie Druckguss-Komponenten. Die Lebensdauer wurde nach dem Örtlichen Konzept numerisch simuliert und experimentell in verschiedenen Schwingfestigkeitsversuchen analysiert. Zusätzlich ist eine deutliche Zeitersparnis im Entwicklungs- und Fertigungsprozess möglich. Die Anforderung im Prototypenbau, gegenüber dem späteren Serienteil äquivalente Bauteileigenschaften zu erreichen, wird erfüllt. Eine sichere Bauteilauslegung im Entwicklungsprozess ist gegeben. Im Vergleich der Lebensdauer von additiv gefertigten Bauteilen mit jener von Guss-Bauteilen kann eine hohe Übereinstimmung erzielt werden. Eine Substitution konventioneller Fertigungsverfahren ist somit möglich. Damit ist belegt, dass sich Funktionsprototypen auch additiv, durch Rapid Prototyping, herstellen lassen.

Aufgrund des hohen erreichbaren Individualisierungsgrads ist die additive Fertigung, d. h. die materialzuführende, schichtweise auf 3D-CAD-Daten basierende Herstellung von Bauteilen, geradezu prädestiniert für medizintechnische Anwendungen. Auf diese Weise lassen sich patientenspezifische, geometrisch komplexe und an die gegebene Beanspruchungssituation angepasste Medizinprodukte (wie z. B. Orthesen, Prothesen und Implantate sowie medizinische Hilfsmittel) fertigen. Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick über aktuelle Anwendungen der additiven Fertigung in der Medizintechnik und diskutiert die mit diesem innovativen Fertigungsverfahren für den medizintechnischen Bereich verbundenen Potenziale. Um Medizinprodukte lebensdauerorientiert, beanspruchungsgerecht und patientenspezifisch unter Berücksichtigung werkstoff- und prozessseitiger Einflussfaktoren sowie der identifizierten Potenziale der additiven Fertigung zu gestalten, müssen verschiedene ingenieurwissenschaftliche und medizinische Fachbereiche interdisziplinär zusammenwirken. Daher werden auch die Vorgehensweise zur Entwicklung und Herstellung additiv gefertigter Medizinprodukte sowie die dafür erforderlichen Fachdisziplinen betrachtet. Die grundlegende Vorgehensweise wird darüber hinaus für verschiedene medizinische Anwendungsbeispiele verdeutlicht. Im Fokus steht dabei die Gestaltung individueller Esshilfen für körperbehinderte Personen, um ihnen ein selbstständiges und selbstbestimmtes Essen zu ermöglichen. Darüber hinaus werden numerische Rissausbreitungssimulationen einer Hüftendoprothese vorgestellt, um den Einfluss thermischer Nachbehandlungsverfahren auf das bruchmechanische Materialverhalten zu diskutieren. Des Weiteren werden verschiedene Maßnahmen zur Strukturoptimierung einer Kurzschaft-Hüftendoprothese und einer patientenspezifischen Fußorthese erläutert.

Im Rahmen dieses Beitrags werden eine überlange Tretkurbel und, zur besseren Vergleichbarkeit der Ausnutzung des Leichtbaupotentials, eine Tretkurbel mit Standardlänge festigkeits- und leichtbauoptimiert konstruiert und ausgelegt. Darüber hinaus wird, zur weiteren Reduktion der Fahrradgesamtmasse und um ein vollständiges Fahrradtretkurbelsystem zu erhalten, abschließend eine Fünfstern-Tretkurbel entwickelt. Die Konstruktion und Auslegung erfolgt für alle drei Bauteile nach der Norm DIN EN ISO 4210 unter Berücksichtigung der verfahrensspezifischen Vorteile des selektiven Laserstrahlschmelzens. Dabei werden verschiedene Querschnittsgeometrien für die überlange Tretkurbel entwickelt und im Nachgang mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode numerisch simuliert und analysiert. Mittels der Analyse werden der Festigkeits- und Dauerfestigkeitsnachweis durchgeführt Als Werkstoff wird die hochfeste Titanaluminiumlegierung TiAl6V4 verwendet, die hohe mechanische Kennwerte bei gleichzeitig mittlerer Dichte aufweist.

Mit Hilfe des Topologie-Optimierungstools TOSCA, der Parametrisierung und der im Anschluss folgenden Detailoptimierung werden eine linke Tretkurbel und eine rechte Tretkurbel mit Fünfstern in einer Standardlänge von 175 mm zur Bewertung der Ausnutzung des Leichtbaupotentials und auf Basis der oben genannten Norm festigkeits- und leichtbauoptimiert entwickelt. Grundlage sind auch hier die mechanischen Überlegungen in Bezug auf die Belastungssituation und die entsprechende Beanspruchung, die durch die Darstellung von Kraftflusslinien visualisiert wird. Abschließend erfolgt ein Massenvergleich mit handelsüblichen Tretkurbelsystemen verschiedener Materialien zur Bewertung der Ausnutzung des Leichtbaupotentials.

Schwingungen und Vibrationen sind in Technik und Alltag häufig anzutreffen. Meist sind sie unerwünscht und müssen durch Dämpfung reduziert werden. Hierzu werden aktuell häufig zusätzlich zu montierende Dämpfungselemente eingesetzt. Diese sind durch zusätzlichen Montageaufwand und erhöhte Kosten gekennzeichnet. Durch die zusätzliche Masse wird Leichtbauansätzen widersprochen.

Additive Fertigungsverfahren bieten große Freiheiten in der Bauteilgestaltung. Dies ermöglicht ein hohes Maß an Funktionsintegration. So ergeben sich auch im Bereich der Schwingungsdämpfung Möglichkeiten zur gezielten Integration von Dämpfungsfunktionen durch die Eigenschaften der additiven Fertigungsverfahren. Mittels der pulverbasierten Verfahren kann disperses Stützmaterial innerhalb von Hohlräumen in der Struktur belassen werden. Dieses Pulvermaterial kann als Partikeldämpfer fungieren. Durch die Freiheiten in der Bauteilgestalt kann die Dämpfungswirkung über die geometrischen Merkmale der Hohlräume gezielt eingestellt werden. Im Rahmen dieses Beitrags werden speziell Untersuchungen zur Dämpfungswirkung additiv gefertigter Bauteile bei freien Biegeschwingungen betrachtet.

Die praxisnahe Umsetzung zur Funktionsintegration von Dämpfungsstrukturen erfolgt am Beispiel der Ankerscheibe einer Federkraftbremse. Hier kann durch die additive Fertigung verbunden mit der Funktionsintegration von Partikeldämpfern eine Reduzierung der Schallabstrahlung für den Schaltvorgang der Bremse erreicht werden.

Es wurden erste Untersuchungen im Rahmen der Entwicklung eines experimentellen Bewertungsverfahrens „Rapid-Bursting-Test“ unter Verwendung der additiven Fertigungstechnologie vorgenommen. Dieses Verfahren beruht auf der Verwendung von geometrisch und physikalisch skalierten Testkörpern, die als additiv gefertigte Druckbehälter ausgeführt werden.

In diesem Manuskript werden die verwendete Methodik sowie die ersten Erfahrungen bei der Herstellung der Druckbehälter mittels selektivem Laserschmelzverfahren beschrieben. Weiterhin werden die Ergebnisse der Berstversuche an den additiv gefertigten Druckbehältern vorgestellt und künftige Entwicklungsschwerpunkte aufgezeigt.

Es wird gezeigt, dass additive Fertigungstechnologien die Voraussetzung für neue und vielversprechende Produktideen schaffen. Mit dem „Rapid-Bursting-Test“ (RBT) wird eine innovative experimentelle Nachweismethode auf Basis additiv gefertigter Druckkörper vorgestellt.

Additive Fertigungsverfahren (3D-Druck) werden heute nicht mehr nur für Prototypen eingesetzt. Der Wandel hin zum vollwertigen Herstellungsverfahren von Serienprodukten stellt dabei neue Anforderungen an den 3D-Druck. Exo-Prothesen der unteren Extremität (künstliche Beine und Füße) müssen im täglichen Einsatz enorme Kräfte aushalten. Hierbei hilft die geometrische Freiheit der Verfahren, neue Formen und neue Konstruktionen für die Strukturbauteile der Produkte zu entwerfen, welche die mechanische Stabilität der Produkte erhöhen. Dank der digitalen Konstruktion können neue Entwürfe mittels Simulation auf ihre Stabilität überprüft werden. Prothesen, die mittels industriellem 3D-Druck wie dem selektiven Lasersintern (SLS) hergestellt wurden, können daher bereits heute mit den Stabilitäten herkömmlich gefertigter orthopädischer Hilfsmittel konkurrieren und werden das Produktbild in der Medizintechnik nachhaltig verändern.

Die Verwendung von Gitterstrukturen in additiv gefertigten Bauteilen ist eine Möglichkeit, Gewichtsreduzierung bei gleichbleibender Bauteilfestigkeit zu erreichen. Es wurden Sandwichstrukturen mit unterschiedlichen Zelltypen, Zellgrößen und Stegbreiten hergestellt und ausgewertet. Diese Sandwichstrukturen wurden einerseits bezüglich ihrer Herstellbarkeit untersucht, z. B. ob anhaftendes Pulver zwischen den Gitterstrukturen entfernt werden kann. Weiterhin wurden die mechanische Steifigkeit und Festigkeit der herstellbaren Strukturen durch Druck- und Vier-Punkt-Biegeversuche miteinander verglichen und daraus ein jeweiliges Leichtbaupotenzial abgeleitet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen auf, welche Dimensionierung von Gitterstrukturen beim Lasersintern sinnvoll ist und welcher Einfluss durch veränderte Geometrieparameter zu erwarten ist.

Für eine Reihe technischer Prozesse der Kunststoffverarbeitung, wie das Selektive Lasersintern, das Rotationsformen oder die Pulverbeschichtung, ist die Koagulation geschmolzener Polymerpartikel ein wichtiger Prozessschritt. Diese Koagulation unterscheidet sich aufgrund der viskoelastischen Natur der Polymere von metallischem Sintern. Ein mikroskaliges Modell, das Viskoelastizität berücksichtigt, ist daher für das Verständnis grundlegender Wirkmechanismen erforderlich. Auf der Basis von Arbeiten von Frenkel sowie von Mackenzie und Shuttleworth wurde ein physikalisches Modell für die späte Phase des Sinterns, das durch die Minimierung der Oberflächenenergie angetriebene Kollabieren einer Gaspore modelliert und um Gasdiffusionseffekte erweitert wird. Viskoelastizität und Gasdiffusion beeinflussen die Prozessdynamik stark.

Die 3D-Druck-Technologie als additives Fertigungsverfahren verändert die industrielle Fertigung mit einer exponentiellen Dynamik. Der Markt für Produkte und 3D-Druck-Dienstleistungen wird sich in den nächsten Jahren stark ausweiten und einen immer höheren Stellenwert in der Industrie einnehmen. Auch wenn die Technologie bereits in vielen Branchen Einzug gehalten hat, so gibt es technologisch noch ein enormes Entwicklungspotential, um Bauteile, aber auch das Verfahren selbst weiter zu optimieren. Gegenwärtig sind noch keine allgemein verbindlichen, abgestimmten Standards für die Herstellung additiv erzeugter Materialien sowie für die Bestimmung der Materialeigenschaften verfügbar. Die Erkenntnisse aus den vorliegenden Forschungsvorhaben sollen deshalb für ein allgemeines Prüfverfahren für 3D-gedruckte thermoplastische Kunststoffe genutzt werden. Langfristiges Ziel ist es, einen Standard der Prüfverfahren in diesem Bereich zu definieren.

Die thermische Alterung von Polyamid-12-Pulvern für das Selektive Lasersintern bzw. von gesinterten Prüfkörpern unter Stickstoff und in Luft wurde mit Differenzkalorimetrie, dynamisch- mechanischer Analyse, Lichtmikroskopie und Bildanalyse, Schlagzähigkeitsexperimenten, rheologischen Messungen in der Schmelze sowie mit GPC und Infrarot-Spektroskopie sowie thermogravimetrischer Analyse untersucht. Die mittlere Molmasse nimmt mit zunehmender Alterungszeit und steigenden Alterungstemperaturen zu. Zeitaufgelöste rheologische Messungen in der Schmelze zeigen eine Zunahme der Molmasse und/oder das Entstehen von Vernetzungen. Für längere Alterungszeiten bei höheren Temperaturen ist ein Kettenabbau nachweisbar. Als Alterungsmechanismus wird ein Wechselspiel von Kettenverlängerung/Vernetzung und thermo-oxidativem Abbau angenommen.

Der gezielte Einsatz des additiven Fertigungsverfahrens „Selektives Laserschmelzen SLM“ zur Herstellung von Bauteilen und Strukturen kann herausragende Vorteile, wie z. B. Reduzierung der Herstellkosten und Verkürzung der Produkteinführungszeit, mit sich bringen. Ein wirtschaftlicher Einsatz dieser Bauteile wird jedoch in einem entscheidenden Maße durch die erreichbaren Materialkennwerte beeinflusst. Daher sind Kenntnisse über die Materialkennwerte, Materialkennkurven sowie das Materialverhalten lasergeschmolzener Werkstoffe zwingend erforderlich.

Dieser Beitrag setzt an dieser Stelle an und gibt einen Überblick über die Werkstoffdaten der lasergeschmolzenen Titanlegierung TiAl6V4 und des austenitischen Stahls X2CrNiMo17-12- 2. Darüber hinaus erfolgen der Vergleich sowie die Einordnung der vorliegenden Materialkennwerte in Bezug auf Werkstoffe, welche auf konventionelle Weise hergestellt wurden. Dabei werden die wesentlichen Einflüsse, die zur Verbesserung des Werkstoffverhaltens führen, herausgestellt und entsprechende Möglichkeiten zur Optimierung aufgezeigt.

Im Rahmen dieses Beitrags werden unterschiedliche Maßnahmen zur Beeinflussung des Risswachstums durch Kerben in rissbehafteten, additiv gefertigten Bauteilen und Strukturen vorgestellt. Neben zahlreichen Einflüssen auf das Risswachstumsverhalten werden anhand von Rissverzögerungskerben Möglichkeiten aufgezeigt, die Risswachstumspfade und die damit einhergehende Lebensdauer zu manipulieren. Hierbei werden an Kompaktzugproben sowohl mit kreisrunden als auch mit rautenförmigen Kerben numerische und experimentelle Analysen durchgeführt. Die experimentellen Untersuchungen bestätigen die numerisch vorhergesagten Rissverläufe. Darüber hinaus wird die Lebensdauer in Abhängigkeit der Risslänge für die unterschiedlichen Probenvarianten experimentell ermittelt und gegenübergestellt. Der Vergleich zeigt, dass die Kerben im Risspfad die Lebensdauer beeinflussen und dass durch den Einsatz von Rissstoppkerben die Einsatzdauer signifikant verlängert wird.

Die gewonnenen Erkenntnisse werden abschließend auf eine reale Leichtbaustrukturkomponente übertragen. Hierbei erfolgt die Auslegung des festigkeits- und leichtbauoptimierten Fahrradvorbaus nach Norm und berücksichtigt die verfahrensspezifischen Randbedingungen. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode werden, trotz der komplexen Belastungssituation, individuelle sowie gewichtreduzierende Kerben konstruiert und in die Struktur eingebracht. Der betriebssichere und leichtbauoptimierte Fahrradvorbau mit einer an die Belastungssituationen angepassten Geometrie, hergestellt mit dem Laserstrahlschmelzverfahren, wird abschließend vorgestellt.

Generative Fertigungsverfahren wie das selektive Laserschmelzen (SLM) eignen sich, aufgrund ihrer hohen geometrischen Designfreiheit, hervorragend für die Herstellung komplexer, zellulärer Leichtbaustrukturen. In diesem Zusammenhang spielt die gezielte konstruktive Anpassung an die Belastungsbedingungen eine entscheidende Rolle. Für die Nutzung dieses Potentials ist das Verständnis der charakteristischen mechanischen Eigenschaften dieser Gitterstrukturen von entscheidender Bedeutung. Im Fokus der experimentellen und numerischen Untersuchungen standen zwei unterschiedliche Gitterstruktur-Typen aus dem Werkstoff Ti-Al6V4. Diese wurden unter monotoner, einachsiger Belastung getestet. Die digitale Bildkorrelation (DIC) ermöglichte gleichzeitig die detaillierte Analyse der lokalen Dehnungsverteilung während der Verformung. Mikrostrukturelle Eigenschaften und die Gitterqualität wurden mit Hilfe von „Electron backscatter diffraction“ (EBSD) Analysen sowie rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen analysiert. Zudem erfolgte die Entwicklung eines Finite-Elemente- Modells, unter der Anforderung eines möglichst geringen Rechenaufwandes, durch die ausschließliche Verwendung von Balkenelementen. Der Vergleich mit den Dehnungswerten aus der DIC-Analyse ermöglichte Rückschlüsse über die Genauigkeit des Modells. Die Ergebnisse zeigen die charakteristischen Eigenschaften und Unterschiede zwischen den beiden untersuchten Gitterstrukturen sowie die typischen Versagensmechanismen unter der Belastung.

Das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem laserbasiert ein Pulverwerkstoff schichtweise zu einem Strukturbauteil aufgebaut wird. Für den industriellen Einsatz von SLM-Bauteilen muss das Verformungs- und Ermüdungsverhalten bekannt sein. Ermüdungsversuche wurden an additiv-gefertigten AlSi12-Strukturen bei Prüffrequenzen von 20 Hz und 20 kHz für hohe und sehr hohe Lastspielzahlen bis 109 durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die mechanischen Eigenschaften SLM-gefertigter Werkstoffe die von Gusswerkstoffen übertreffen. Für den zuverlässigen Einsatz müssen die prozessinduzierten Defekte sowie deren Auswirkungen quantitativ beschrieben und bewertet werden.

Für eine zuverlässige Bemessung von zyklisch beanspruchten additiv gefertigten Bauteilen unter Ausnutzung des Leichtbaupotentials wird ein Bemessungskonzept vorgestellt, das auf bewährten Methoden der numerischen Betriebsfestigkeitsanalyse beruht. Dabei wird, ausgehend vom Kerbdehnungskonzept, auf Basis des lokalen Werkstoffverhaltens eine Last-Wöhlerlinie abgeleitet und anschließend die Kollektive der Beanspruchungszeitfunktionen im lastbasierten Bemessungskonzept mit Hilfe der linearen Schadenakkumulation bewertet. Wesentlich für eine erfolgreiche Anwendung dieses werkstoffbasierten Bemessungskonzeptes ist die Berücksichtigung des Größeneinflusses aus der Perspektive des lokalen Werkstoffverhaltens.

Eine ganzheitliche Betrachtung und Auslegung der Prozesskette beginnend bei der additiven Fertigung sollte so früh wie möglich erfolgen, um das neu entstandene Potential mit den bekannten Möglichkeiten aus der konventionellen Fertigung anzureichern. So kann das Festwalzen oder Hämmern gezielte Bereiche derart beeinflussen, dass diese unter dynamischen Belastungen gegenüber dem unbearbeiteten Zustand nicht brechen. Weiterhin kann eine teils poröse Struktur mittels der Verfahren verbessert werden.

Dieser Beitrag entstand aus einer Untersuchung zum schraubenspezifischen Verhalten von additiv gefertigten Bauteilen aus Aluminium, da diese immer häufiger zum Einsatz kommen; derzeit befindet sich die Technologie der additiven Bauteilfertigung durch intensives Engagement von Wissenschaft und Anwendern auf dem Weg von der Machbarkeit im Labor in die allgemeine industrielle Anwendungspraxis.

Zu Beginn werden zur Technologiebewertung die wichtigen Zukunftsaspekte aus Produktinnovationssicht erörtert, da diese im Moment für die weitere Etablierung fokussiert werden müssen. Danach schließt sich die Analyse der Verschraubungseignung an, da auch additiv gefertigte Bauteile befestigt werden müssen.

Daher ist zu klären, ob und wie sich das Montage- und Betriebsverhalten von Verschraubungen mit additiv- und herkömmlich gefertigten Bauteilen unterscheidet. Dazu werden Testmontagen und Relaxationsmessungen an verschraubten, additiv gefertigten und herkömmlich gefertigten Probekörpern durchgeführt. Im Ergebnis zeigt sich, dass das Montageverhalten abhängig von der Lagenorientierung bei der Fertigung ist, das Relaxationsverhalten durch die Druckrichtung sowie -dichte beeinflusst wird und die Kurzzeit-Tragfähigkeit weitgehend unabhängig von der Beschaffenheit der Proben ist.