Additive Fertigung: Von der Natur lernen heißt optimieren lernen

Das Förderprojekt ‚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 additive Fertigung von Titanbauteilen zu optimieren.

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 auch das Projekt BEST. Hier befassen sich Expertinnen und Experten von Cenit und von der TU Hamburg mit Stützstrukturen in der additiven Fertigung. Inspiration finden sie dabei in den Bauplänen und Methoden der Natur.

Optimierungsbedarf bei der Erstellung von Stützstrukturen für die additive Fertigung

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 gleich 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 Cenit, den Ansatz.

In der Projektarbeit erzeugt 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.

Prinzipien des umgekehrten Wachstums

Wegen der hohen Eigenspannungen bei der additiven Verarbeitung konzentriert sich das Projekt auf Titanbauteile mit der Legierung Ti-6Al-4V. Die Herausforderung dabei ist, dass der hohe Schmelzpunkt des Materials von über 1600 °C zu Verformungen im Bauteil führen kann. 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 von Cenit angewandt und dienen der Weiterentwicklung der Fastsuite Edition 2, der Cenit-3D-Simulationsplattform für die Digitale Fabrik.

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