3D-Druck: Metallische Hochleistungskomponenten ressourceneffizient herstellen

20.02.2018 10:42

Die additive Fertigung von Kunststoffen hat sich in vielen Branchen etabliert. Der 3D-Druck von Metallen ist auf dem Weg, eine ähnliche Erfolgsgeschichte zu schreiben. Im neu eröffneten 3D-Drucklabor Metall und Strukturwerkstoffe am Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, haben Forscher untersucht, wie ressourceneffizient der Herstellungsprozess ist, wenn Leichtbaukomponenten aus Aluminium additiv gefertigt werden. Das Ergebnis: Schon kleinere Einsparungen an Material und Ressourcen pro Bauteil bringen hohe Kostenersparnisse bei Serienfertigungen mit sich.

Das 3D-Drucklabor Metall und Strukturwerkstoffe am Fraunhofer EMI in Freiburg beherbergt einen der derzeit größten kommerziell verfügbaren 3D-Drucker für Metalle. Im Forschungsbereich ist die Anlage in dieser Größe ein Unikat. Per selektivem Laserschmelzen (SLM; siehe Kasten »So funktioniert SLM«) lassen sich hier metallische Strukturen mit Abmessungen von bis zu 40 Zentimetern additiv fertigen. Der 3D-Druck bietet völlig neue Möglichkeiten, Bauteile mit komplexesten Formgebungen zu gestalten und zugleich das Gewicht zu optimieren.

Doch erst die Kombination von additiver Fertigung und intelligentem Leichtbaudesign erlaubt eine maximal ressourceneffiziente Produktion. Wie ressourcenschonend der Herstellungsprozess tatsächlich ist und ob sich etwa Material- und Betriebskosten im Vergleich zu herkömmlichen industriellen Verfahren minimieren lassen, haben Fraunhofer-Forscher im neuen 3D-Drucklabor am Beispiel einer praxisnahen Komponente untersucht. Als Bauteil für den Test wurde ein Radträger verwendet, wie er beispielsweise in einem Leichtbaufahrzeug eingesetzt werden könnte. »Wir konnten quantifizieren, wie sich Leichtbau und speziell der Einsatz von Methoden der Strukturoptimierung auf die eingesetzten Ressourcen während des Herstellungsprozesses mittels SLM auswirken«, sagt Klaus Hoschke, Wissenschaftler und Gruppenleiter am Fraunhofer EMI. Im Fokus standen die Kennwerte Strom- und Materialbedarf, Fertigungszeit und CO2-Emissionen, die bei einer Kleinserienproduktion von zwölf Radträgern anfallen.

Ressourceneffizienz einer Kleinserienfertigung

Nachdem die Forscher im ersten Schritt einen Designentwurf mithilfe der numerischen Finite-Elemente-Methode (FEM) simuliert, analysiert und die geeignete geometrische Form bestimmt hatten, konstruierten sie den Radträger im optimierten Leichtbaudesign. Das Resultat war ein Radträger, 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. »Mit dem leichteren Modell konnten wir während der Fertigung enorm Ressourcen einsparen, da pro Bauteil weniger Material erzeugt werden muss. Multipliziert man dies auf eine Kleinserie, so benötigt man weniger Zeit, Material und Energie für die Herstellung.

Eine Reduktion des Volumens durch Nutzung höherfester Werkstoffe besitzt hierbei das größte Einsparungspotenzial«, so der Forscher. Mithilfe 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 Prognosen, welche Auswirkung die generative Fertigung von Metallen auf die globale Produktion haben wird, gehen auseinander. Einigkeit besteht darin: Für viele Industrien wie die Luft- und Raumfahrttechnik, die Fahrzeug- und Medizintechnik sowie den Werkzeugbau ist sie ein »Game Changer«. Künftig wollen Hoschke und sein Team erforschen, inwiefern andere Bauhöhen, Seriengrößen und Werkstoffe wie etwa Titan die Ressourceneffizienz des Herstellungsprozesses beeinflussen.

RHP-Technology GmbH entwickelt 3D-Druck Anlage für XXL Bauteile

Das Unternehmen RHP-Technology GmbH mit Sitz in Seibersdorf hat sich zum Ziel gesetzt, eine industrielle, „plug&play“-fähige Maschine zu entwickeln, mit der 3D Bauteile in der Größenordnung von einem bis mehreren Metern aus Luft- und Raumfahrt relevanten Werkstoffen wie Titan, Aluminium und deren Legierungen gefertigt werden können. Das System basiert auf einem Plasma-Lichtbogen Verfahren, mit dem über ein CAD gesteuertes  6-Achsen Handling individuelle 3D Bauteile fertigen. Spezielle Features sind die Erzeugung von Multi-Material Werkstoffen und Gradientenstrukturen sowie schnellen Aufbauraten.

Der Fokus der Entwicklung liegt auf der Verarbeitung von Hochleistungsmaterialien mit geringer Dichte wie Titan und Aluminiumlegierungen. Anwendung finden diese Werkstoffe heute u.a. in der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt sowie im Hochleistungsanlagenbau. Die Generative Fertigung summiert Prozesse, die das Element der Bauteilkomplexität als zusätzlichen Freiheitsgrad ohne entsprechenden Kostenaufschlag erlaubt. Die große Herausforderung bilden die Anforderungen an eine breite Materialpalette, die diese Technologie zu einem leistungsstarken Zukunftswerkzeug macht. Besonders die Herstellung großer Geometrien (über 1 Meter) ist eines der wesentlichen Ziele von RHP. Dem System werden die Aufbaumaterialien als Pulver oder Draht zugeführt. Die Prozessführung erlaubt einen lagenweisen Aufbau und damit auch die Darstellung von funktionellen Mehr-Lagen Strukturen.


Fotos und Quellen:
Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI
RHP-Technology GmbH