Die Natur als Vorbild für additive Fertigung von Leichtbauteilen

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Das Leichtbaupotenzial laseradditiv gefertigter, multifunktionaler Komponenten ist ausgesprochen hoch. Auch weil bionische Strukturen möglich sind. Während kleine Stückzahlen bereits günstig gefertigt werden können, muss das Verfahren für die Großserie noch optimiert werden.

Oftmals setzen fehlende Fertigungstechniken dem konstruktiven Leichtbau enge Grenzen. Gäbe es entsprechende Fertigungstechnologien, ließen sich optimale Leichtbaukonstruktionen umsetzen. Davon sind die Springer-Autoren Fabian Riß, Stefan Teufelhart und Professors Gunther Reinhart überzeugt. Sie sind der Ansicht, dass additive Fertigungsverfahren wie das Laserstrahlschmelzen Abhilfe schaffen kann. „Der Prozessablauf ermöglicht dabei die Fertigung diffiziler Bauteile in kleinen Stückzahlen bei hoher Wirtschaftlichkeit“, erklären sie in ihrem Beitrag „Auslegung von Gitter- und Wabenstrukturen für die additive Fertigung“. Leichtbauansätze lassen sich demnach meist komplett ohne Einschränkungen umsetzen.

Um dennoch den konstruktiven Leichtbau zu nutzen, setzen sie auf additive Fertigungsverfahren wie das Laserstrahlschmelzen. Und als besonders geeignet in dem Bereich halten sie den Einsatz bionischer Leichtbaustrukturen, wie Waben- oder Gitterstrukturen. Das Verfahren erinnert dabei an einen 3D-Druck. Auf einer speziellen Substratplatte werden die Bauteile Schritt für Schritt mittels Laser und aufgebrachter Pulverschicht schichtweise komplett gefertigt. Die Dicke der Pulverschicht beträgt zwischen 20 und 100 μm. Die Ergebnisse sind vielversprechend.

Diffizile Bauteile in Kleinstserie bei hoher Wirtschaftlichkeit fertigen

„Der generierende Prozessablauf ermöglicht die Fertigung äußerst diffiziler Bauteile in kleinen Stückzahlen bei hoher Wirtschaftlichkeit“. Das konnte die Fertigungsspezialisten der Fraunhofer IWU-Projektgruppe Ressourceneffiziente mechatronische Verarbeitungsmaschinen feststellen. Und dank des bionischen Ansatzes können Konstrukteure die daraus abgeleiteten Leichtbauprinzipien für weitere Entwicklungen und Konstruktionsweisen nutzen, „um Material und somit Masse einzusparen“.

Die Wissenschaftler haben dazu zum einen die bereits etablierten Gitterstrukturen analog zum Aufbau des Schwammgewebes in Knochen optimiert. Zum anderen wurde ein Ansatz entwickelt, um Wabenstrukturen an die Geometrie einer beliebigen Freiformfläche, sowie an die Belastungen im Bauteil anzupassen. „Bisher war eine derartige Anpassung nicht möglich, da durch die verwendeten Fertigungsprozesse lediglich ebene oder einfach gekrümmte Strukturen mit einheitlichem Materialfüllgrad herstellbar waren“.

Erhebliche Kostenvorteile dank additiver Fertigung

Das Prinzip der generativen Fertigung nutzen wegen der genannten Vorteile auch Hersteller sehr komplexer Bauteile, die in geringen Stückzahlen gefertigt werden, wie sie etwa für Elektrofahrzeuge gegenwärtig typisch sind. Das werkzeuglose Fertigen von komplexen metallischen Strukturen soll künftig aus den Datensätzen heraus erfolgen, so die Vorstellungen der Autoren Martin Hillebrecht, Wolfgang Reul, Professor Claus Emmelmann und Jannis Kranz. In "Laseradditive Fertigung von multifunktionalen Komponenten" zeigen sie, wie sich auf diese Art und Weise sehr komplexe und hocheffiziente Strukturen herstellen lassen, „die mit anderen Verfahren nicht kostendeckend herstellbar oder gar entformbar sind“.

Darüber hinaus sind die lastgerechte und bionische Bauteilgestaltung bei geringsten Wandstärken und herausragenden Materialeigenschaften möglich. Das ist für Leistungselektronik-Bauteile in Elektro- oder Hybridfahrzeugen ein wichtiges Argument. Immerhin müssen sie im Betrieb und während der Montage gut geschützt werden. Doch es gibt auch Nachteile. Gerade bei großvolumigen Bauteilen und größerer Stückzahl ist das Verfahren gegenüber spanenden oder urformenden Verfahren heute noch kostenintensiver“, bringen es die Autoren auf den Punkt.