Die Biologisierung der Technik gewinnt in der Material-, Werkstoff- und Produktionsforschung zunehmend an Bedeutung. Im Additive Manufacturing (AM) werden beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M) Stützungstrukturen benötigt, um komplexe Geometrien erfolgreich herstellen zu können. Denn die aktuell verfügbaren Stützstrukturen erfüllen ihre Aufgaben nicht optimal. In der Einzel- und Kleinserienfertigung von Bauteilen führt das entweder zur Überdimensionierung der Stützstrukturen oder zu Fehldrucken. Hinzu kommt: Der erhöhte Materialverbrauch steigert die Kosten und verlängert die Druckzeiten. Das stellt insbesondere kleine und mittlere Unternehmen vor grosse Hindernisse.
Diesen Herausforderungen begegnet das Projekt «Bäume als effiziente Stützstrukturen in der additiven Fertigung» (BEST) mit Stützstrukturen, die dem natürlichen Baumwachstum nachempfunden sind. Diese sind hochgradig ressourceneffizient, ohne an Funktionalität einzubüssen. «Untersuchungen haben gezeigt, dass die optimalen Strukturen eine baumähnliche Geometrie aufweisen», erklärt Jochen Michael, Senior Consultant bei Cenit, den Ansatz. In der Projektarbeit erzeugt die Cenit Stützstrukturen auf Basis von 3D-Simulationen, die zuvor von der TU Hamburg berechnet wurden. Im Ergebnis wurde durch die Verknüpfung von Simulation, generativem Design und algorithmischer Botanik ein computergestütztes Tool entwickelt, das baumförmige Stützstrukturen für AM-Bauteile generiert.
Von der Krone bis zum Stamm
Wegen der hohen Eigenspannungen bei der additiven Verarbeitung konzentriert sich das Projekt auf Titanbauteile mit der Legierung Ti-6Al-4V. Die Herausforderung dabei: Der hohe Schmelzpunkt des Materials von über 1600 °C kann zu Verformungen im Bauteil führen. Die Hauptaufgaben der Stützstrukturen bestehen in der gleichmässigen Ableitung der Wärme, der Aufnahme entstehender Spannungen und dem Abstützen geometrischer Überhänge. Für diese Problemlage wendet das BEST-Projekt die Prinzipien des umgekehrten Wachstums an. Der entwickelte Algorithmus lässt die baumgleiche Stützstruktur umgekehrt von der Krone bis zum Stamm wachsen.
Mit dem Tool zur Erstellung von bioinspirierten Stützstrukturen ist es gelungen, diese optimierte Stützkonzeption zu entwickeln und damit die Ressourceneffizienz der additiven Fertigung mit verkürzten Fertigungszeiten sowie geringerem Material- und Energieverbrauch zu erhöhen. Die Erkenntnisse werden in künftigen Kundenprojekten von Cenit angewandt und dienen der Weiterentwicklung der «Fastsuite Edition 2», der 3D-Simulationsplattform für die Digitale Fabrik von Cenit.