Bäume als Vorbilder für Stützstrukturen im 3D-Druck
Mit Methoden der Natur die additive Fertigung optimieren
Das Förderprojekt „Bäume als effiziente Stützstrukturen in der additiven Fertigung (BEST)“ stellt Prinzipien der algorithmischen Botanik in den Fokus. Inspiriert vom natürlichen Wachstum der Bäume entwickelt die CENIT in Zusammenarbeit mit der TU Hamburg einen Basisalgorithmus und ein Tool, das baumähnliche Stützstrukturen erstellt. Ziel ist, die Stützkonzeption für den 3D-Druck von Titanbauteilen zu optimieren.
Die Biologisierung der Technik gewinnt in der Material-, Werkstoff- und Produktionsforschung zunehmend an Bedeutung. Mit exzellenter Grundlagenforschung nimmt Deutschland im internationalen Vergleich eine wichtige Position in diesem Forschungsfeld ein. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert gezielt den Transfer der Forschung in die nachhaltige industrielle Wertschöpfung. Dazu zählt das Projekt BEST, in dessen Rahmen sich Expert*innen der CENIT und der TU Hamburg mit Stützstrukturen in der additiven Fertigung befassen. Inspiration finden sie dabei in den Bauplänen und Methoden der Natur.
Optimierungsbedarf bei der Erstellung von Stützstrukturen für den 3D-Druck
In der additiven Fertigung mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M) werden Stützungen benötigt, um komplexe Geometrien erfolgreich herstellen zu können. 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.
Algorithmische Botanik schafft Vorteile für die additive Fertigung
Diesen Herausforderungen begegnet das Projekt BEST mit Stützstrukturen, die dem natürlichen Baumwachstum nachempfunden sind. Diese sind hochgradig ressourceneffizient, ohne Funktionalität einzubüßen. „Untersuchungen haben gezeigt, dass die optimalen Strukturen eine baumähnliche Geometrie aufweisen“, erklärt Jochen Michael, Senior Consultant bei der 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 wird durch die Verknüpfung von Simulation, generativem Design und algorithmischer Botanik ein computergestütztes Tool entwickelt, das baumförmige Stützstrukturen für additiv gefertigte Bauteile generiert. 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 deshalb in der gleichmäßigen Ableitung der Wärme, der Aufnahme entstehender Spannungen und dem Abstützen geometrischer Überhänge. Für diese Problemlage wendet das Projekt BEST die Prinzipien des umgekehrten Wachstums an. „Der entwickelte Algorithmus lässt die baumgleiche Stützstruktur umgekehrt von der Krone bis zum Stamm wachsen“, beschreibt Jochen Michael die Funktionsweise des eigens entwickelten Tools.
Erkenntnisgewinn für Wirtschaft und Forschung
Eines der zentralen Ergebnisse des Projekts ist das Tool zur Erstellung von bioinspirierten Stützstrukturen. Damit gelingt es, eine optimierte Stützkonzeption zu entwickeln und die Ressourceneffizienz der additiven Fertigung mit verkürzten Fertigungszeiten sowie geringerem Material- und Energieverbrauch weiter zu erhöhen. Die Erkenntnisse werden in zukünftigen Kundenprojekten CENITs angewandt und dienen der Weiterentwicklung der FASTSUITE Edition 2, CENITs 3D-Simulationsplattform für die Digitale Fabrik.
