In der Konstruktion von Bauteilen macht es einen gewaltigen Unterschied, ob das Fertigungsteil klassisch – also etwa zerspanend – oder additiv gefertigt werden soll. Für Konstrukteure bedeutet der Vormarsch des 3D-Drucks einen Paradigmenwechsel. Wo die wesentlichen Unterschiede liegen und welche Vorteile sich durch die 3D-Druck Konstruktion ergeben können, hat Technology Evangelist Ralf Schnurr (BAM GmbH) mit Additive Manufacturing Application Engineer Sebastian Frank (Solidpro) besprochen.

Was sind die wesentlichen Unterschiede zwischen der 3D-Druck Konstruktion und klassischer Konstruktion?

Ziel bei der klassischen Konstruktion ist es, das Bauteil so zu gestalten, dass es zum einen mit vorhandenen Werkzeugen fertigbar ist und zum anderen der Materialabtrag bei der konventionellen Herstellung möglichst gering ausfällt, um schnell und kostengünstig produzieren zu können. Im Vergleich zur additiven Fertigung, bei der Material aufgetragen und nicht abgetragen wird, muss die Konstruktion möglichst „schlank“ ausfallen. Je mehr Material aufgetragen wird, desto länger dauert der Druck und entsprechend teurer wird das Bauteil. Das sind gegensätzliche Konstruktionsansätze. 

Gilt das für alle additiven Fertigungsverfahren gleichermaßen?

Ja, allerdings gibt es auch bei der 3D-Druck-Konstruktion – abhängig von der eingesetzten Technologie – Unterschiede. 

Wo liegen die größten Herausforderungen?

Herausforderungen gibt es im Zusammenhang mit der additiven Fertigung eine Menge. Angefangen damit, dass Additive Manufacturing die klassische Fertigung nicht ersetzen, sondern ergänzen soll. Bauteile bzw. Anwendungen werden oftmals so gefertigt, wie man es schon immer gemacht hat.

Und hierbei folgt die nächste große Herausforderung, nämlich Unternehmen bzw. Konstrukteure davon zu überzeugen, dass durch die additive Fertigung ganz neue Möglichkeiten geschaffen werden können. Produktentwicklungsprozesse können zeitlich verkürzt und die Freiheitsgrade bei der Fertigung erhöht werden, um nur eine wenige Beispiele zu nennen.

BAM hat diese Vorteile für sich und seine Kunden längst erkannt. Im Beitrag „Additive Fertigung: Großes Potenzial für die Bauteilproduktion“ stellen wir vor, wie wir bei BAM die additive Fertigung nutzen.

War die Überzeugungsarbeit erfolgreich, folgt die nächste Herausforderung – und zwar der Umdenkprozess bei der Konstruktion. Die Bereitschaft, die Konstruktion grundlegend zu überdenken, hängt stark vom Konstrukteur und den Gegebenheiten im Unternehmen ab. Punkte wie die generelle Strategie des Unternehmens bzgl. der additiven Fertigung und die Möglichkeiten der Mitarbeiter, sich in das Thema einzuarbeiten, spielen hierbei eine große Rolle.

Wo stößt man auf Grenzen hinsichtlich der Geometrie?

Experte für 3D-Druck Konstruktion: Sebastian Frank (Solidpro)
Sebastian Frank ist Additive Manufacturing Application Engineer bei Solidpro.

Durch den schichtweisen Aufbau bei der additiven Fertigung entstehen beim Design vorher nie dagewesene Freiheitsgrade. Allerdings gibt es auch in diesem Bereich natürliche Grenzen. Ein limitierender Faktor ist beispielsweise der zur Verfügung stehende Bauraum. Sollen größere Bauteile gedruckt werden, müssen diese getrennt und nach dem Druck wieder gefügt werden.

Abhängig von der eingesetzten Technologie treten bei der 3D-Druck Konstruktion weitere Grenzen auf: Zum Beispiel die Entpulverung von innenliegenden komplexen Kanälen oder Strukturen. Beim Drucken mit Filament entstehen Grenzen durch die Entfernung von Stützstrukturen. Weitere Grenzen stellen die Fertigungstoleranzen sowie die Oberflächenbeschaffenheiten der Bauteile dar.

Durch geeignete Post-Processing-Schritte können diese Punkte positiv beeinflusst werden.

Welche Vorteile ergeben sich bei der 3D-Druck Konstruktion durch die Möglichkeit der Funktionsintegration und die Kombination von mehreren Bauteilen in einem?

Vor allem bei den pulverbettbasierenden 3D-Druckverfahren ergibt sich ein sehr großer Vorteil durch die additive Konstruktion: Die Konsolidierung von Einzelteilen zu einer Baugruppe, die am Stück gedruckt wird. Durch die Integration von Funktionen in das Bauteil können zum Beispiel teure und fehlerbehaftete Montageprozesse reduziert und Herstellkosten gesenkt werden.

Beispiel für 3D-Druck Konstruktion: Ein topologieoptimierter Greifer. Bildquelle: BAM GmbH.
Beispiel für 3D-Druck Konstruktion: Ein topologieoptimierter Greifer. Bildquelle: BAM GmbH.

Unterscheiden sich die Herstellungskosten durch die optimierte Konstruktion? Wenn ja, in welchen Größenordnungen bewegt sich das?

Das hängt von mehreren Faktoren ab. Generell sollten zukünftig aber nicht nur die reinen Herstellungskosten betrachtet werden, sondern die komplette Prozesskette. Das fängt bei der Bauteilentwicklung an, geht über den Druck bis hin zur Montage und den Versand zum Endkunden.

Wenn man tatsächlich nur das reine Bauteil betrachtet, hängt der Kostenunterschied im Wesentlichen vom Komplexitätsgrad des Bauteils und der gedruckten Menge ab. Einen konkreten Kostenfaktor zu definieren ist schwierig, da dieser stark schwankt und von Fall zu Fall unterschiedlich ist. 

Wann empfiehlt es sich im Rahmen der 3D-Druck Konstruktion Topologieoptimierungen durchzuführen?

Bevor wir eine Topologieoptimierung überhaupt durchführen können, müssen wir uns zunächst über die zu erfüllenden Anforderungen im Klaren sein:

  • Welcher „Bauraum“ steht zur Verfügung, von dem Material entfernt werden kann?
  • Gibt es Bereiche, an denen keine Veränderungen vorgenommen werden dürfen (Bohrungen für die Befestigung bzw. Lagerung)?
  • Sind alle Belastungen bekannt, die auf das Bauteil wirken?

Erst wenn diese Angaben bekannt sind, ist es überhaupt möglich, eine sinnvolle Topologieoptimierung durchzuführen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Akzeptanz des Endkunden, speziell bei Sichtbauteilen. Bei einer Topologieoptimierung wird computerbasiert ein Zustand berechnet, bei dem definierte Anforderungen mit möglichst geringem Materialeinsatz erfüllt werden.

Die Besonderheiten der 3D-Druck Konstruktion sind an diesem topologieoptimierten Greifer gut erkennbar. Bildquelle: BAM GmbH.
Die Besonderheiten der 3D-Druck Konstruktion sind an diesem topologieoptimierten Greifer gut erkennbar. Bildquelle: BAM GmbH.

Meistens wird die maximale Steifigkeit bei niedrigem Volumeneinsatz angestrebt. Bei den Ergebnissen handelt es sich meist um Tragwerk-ähnliche Strukturen, die nicht mehr klar geometrisch bestimmt sind. Natürlich könnte das Ergebnis aus ästhetischen Gründen noch geglättet werden, das bietet aber rein für die Funktionalität keinen Mehrwert. Werden solche „bionischen“ Strukturen auch vom Endkunden akzeptiert, ist es durchaus sinnvoll, solche rechnergestützten Optimierungen durchzuführen.