3D-Drucktechnik hängt 3D-Modellierung ab

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Herausforderung für CAD-Systeme

Das Beispiel zeigt, wie sich Materialeigenschaften durch Beeinflussung der Innenstruktur des Werkstücks gezielt beeinflussen lassen – und zwar an jedem Punkt des Modells unterschiedlich. Doch bis vor kurzem stellten solche Gitterstrukturen CAD-Systeme vor schier unlösbare Probleme, da die Berechnung und Darstellung solch komplexer Strukturen sehr hohe Rechenleistungen erforderten. Deshalb werden solche Innenstrukturen – üblicherweise Lattice genannt – meist als sehr schnell darstellbares STL-Modell in das 3D-Modell integriert. STL wiederum ist ein Datenformat, das nur sehr schwer nachträglich verändert werden kann, da in einer STL-Datei die Dreiecke, die die Oberfläche des 3D-Bauteils definieren, völlig ungeordnet abgelegt sind.

Das Problem: Setzt man einen STL-„Block“ eines Gitters in die Höhlung eines CAD-Modells, muss die STL-Geometrie an die Form der Höhlung angepasst, also geschnitten werden. Diese STL-Modellbearbeitung beherrschen nur wenige CAD-Systeme und diese auch erst seit zwei oder drei Jahren. Noch wesentlich jünger sind Funktionen, die es ermöglichen, 3D-Modelle mit solchen getrimmten STL-Lattices in einer Simulationssoftware auf ihre Festigkeit zu testen. Nur sehr wenige Simulationssysteme beherrschen dies.

3D-Drucker variieren beim eingesetzten Material

Doch die Technologie der 3D-Drucker bleibt nicht stehen, und so werden seit einiger Zeit schon Geräte angeboten, die unterschiedliche Materialeigenschaften nicht über den Umweg der Geometrie erzeugen, sondern tatsächlich beim Drucken das Material variieren. Diese Drucker arbeiten mit Druckwerken, wie sie in gleicher oder ähnlicher Form in Tintenstrahldruckern eingesetzt werden. So lassen sich beispielsweise Bauteile aus unterschiedlich gefärbtem und klarem Harz aufbauen, so dass man in das Objekt hineinsehen kann. Ebenso ist es möglich, beispielsweise die Shorehärte eines Materials zu variieren, indem winzige Tropfen eines härteren und eines weicheren Materials in unterschiedlicher Mischung ausgebracht werden.

Anwendung: Dämpferblöcke von Boge

Ein einfaches Beispiel zeigt, wie gewinnbringend sich diese Technologie einsetzen lässt: An vielen Stellen in Maschinen und Fahrzeugen kommen Schwingungsdämpfer zum Einsatz, die aus einem Gummiteil und daran anvulkanisierten Metallplatten mit Gewinde oder Stehbolzen bestehen. Die von der Firma Boge hergestellten und vertriebenen Silentblock-Dämpfer haben der gesamten Produktsparte den Namen gegeben. Ein typisches Einsatzgebiet ist die Lagerung von Motoren, um deren Vibrationen von der Umgebung abzukoppeln. Diese Dämpferblöcke versagen nahezu immer an derselben Stelle: Die Metallscheiben lösen sich vom Gummi, weil die Vibrationen am Übergang zwischen weichem Gummi und hartem Metall zerstörerisch wirken – es ist Grundwissens des Maschinenbaus, dass an Stellen, an denen sich die Materialeigenschaften massiv ändern, Probleme auftreten können.

Mit Hilfe eines geeigneten 3D-Druckers, beispielsweise aus der Polyjet-Familie von Stratasys oder der Multijet-Familie von 3D Systems, lassen sich Teile drucken, bei denen sich die Materialeigenschaften nicht an einer Stelle radikal ändern, sondern es wird ein gradueller Übergang eingeplant – die Stehbolzen sind hart, in der Zone dazwischen wird das Material zur Mitte hin immer weicher. So bilden sich keine Spannungsspitzen und die Teile halten länger.

Auch zur Funktionsintegration sind solche gezielt eingesetzten Materialeigenschaften von großem Vorteil. Motorradsättel ließen sich direkt nahtlos in die Verkleidung integrieren, die heute oft in Spritzgussteilen eingesetzten Filmscharniere könnten robuster gestaltet werden.

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