Im 3D-Drucklabor hergestellter strukturoptimierter Radträger eines Ultraleichtfahrzeugs.
Fraunhofer EMI
Das 3D-Drucklabor Metall und Strukturwerkstoffe am Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, in Freiburg beherbergt einen der derzeit größten kommerziell verfügbaren 3D-Drucker für Metalle. Per selektivem Laserschmelzen lassen sich hier metallische Strukturen mit Abmessungen von bis zu 40 Zentimetern additiv fertigen. Der 3D-Druck bietet völlig neue Möglichkeiten, Bauteile mit komplexen Formen zu gestalten und zugleich das Gewicht zu optimieren. Doch erst die Kombination von additiver Fertigung und intelligentem Leichtbaudesign erlaube laut den Fraunhofer-Forschern eine maximal ressourceneffiziente Produktion. Im neuen 3D-Drucklabor untersuchten die Forscher anhand eines Radträgers, wie ressourceneffizient der Herstellungsprozess ist, wenn Leichtbaukomponenten aus Aluminium additiv gefertigt werden. Im Fokus standen die Kennwerte Strom- und Materialbedarf, Fertigungszeit und CO2-Emissionen, die bei einer Kleinserienproduktion von zwölf Radträgern anfallen.
Herstellungskosten in der Kleinserienfertigung senken
Mit Hilfe der numerischen Finite-Elemente-Methode (FEM) konstruierten die Forscher einen Radträger im optimierten Leichtbaudesign, der auf die definierten Lastszenarien ausgelegt ist und eine maximale Performance bietet. Aufgrund ihrer geometrischen Komplexität lassen sich derart gefertigte Strukturen nicht konventionell herstellen – also etwa durch Fräsen oder Drehen. Mittels der numerisch optimierten Version des Radträgers wurden im Vergleich zum konventionellen Design 15 Prozent der für den additiven Prozess nötigen Energie gespart. Der Strombedarf betrug beim konventionellen Design zwölf Kilowattstunden, beim numerisch optimierten Design nur zehn Kilowattstunden – der Messwert bezieht sich jeweils auf ein Bauteil der Serienfertigung. Die Fertigungszeit konnte um 14 Prozent sowie die CO2-Emission um 19 Prozent reduziert werden. Mit 28 Prozent fiel die Einsparung beim Material noch deutlicher aus.
Die Ergebnisse der Kleinserienproduktion des Radträgers legen nahe, dass sich die additive Fertigung auch dann anbiete, wenn ein Bauteil nicht per se strukturoptimiert werden muss. "Ein Wärmetauscher oder eine Werkzeugform etwa müssen nicht leicht sein, um eine bessere Funktion zu erfüllen. Dennoch ist es sinnvoll, sie mit einem geringen Gewicht und Volumen auszulegen, wenn sie additiv gefertigt werden, da man die Herstellungskosten senken kann", erklärt Klaus Hoschke, Wissenschaftler und Gruppenleiter am Fraunhofer EMI.