Design for Additive Manufacturing Die Vorteile des 3D-Drucks intelligent ausgenutzt

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Was mit 3D-Druck heute möglich ist, zeigte PTC auf seiner Konferenz Liveworx 2023 in Boston: ein Strahltriebwerk, das in einem Druckvorgang gefertigt wurde. Es wurde konstruiert in Creo, das die gezielte Steuerung des Metall-3D-Drucks ermöglicht.

Jeder, der einen Beruf im Maschinenbau gelernt oder studiert hat, kennt das: Man hat eine tolle Konstruktion aufs Papier oder auf den Bildschirm gebracht – und dann kommt der Lehrer beziehungsweise Professor vorbei und sagt nach einem kurzen Blick darauf: „Und wie montieren Sie das?“ Da hat man wieder ein Kugellager in einer geschlossenen Nut versenkt oder einen Hinterschnitt vorgesehen, der das Zusammenschieben zweier Teile blockiert. „Zurück ans Zeichenbrett!“ hieß es dann früher.

Mit der Verbreitung des 3D-Drucks zeigte es sich, dass es möglich ist, die Bauteile so präzise zu fertigen, dass sie als Baugruppe gedruckt werden können und trotzdem so voneinander getrennt sind, dass sie sich bewegen lassen. Das freut nicht nur den Studenten, der nun immer entgegnen kann: „Das wird 3D-gedruckt!“, sondern eröffnet auch ganz neue Möglichkeiten. Auf die Spitze trieb das nun ein Team des Technion - Israel Institute of Technology: Es fertigte ein funktionsfähiges Strahltriebwerk aus genau zwei Bauteilen in einem Druckvorgang.

Alle Funktionen integriert

Doch die israelischen Spezialisten nutzten nicht nur dieses Merkmal des 3D-Drucks, sondern auch die Möglichkeit, den Innenraum des Bauteils individuell zu gestalten. So gelang es, nicht nur Stator und Rotor im montierten Zustand zu fertigen, sondern auch alle anderen Funktionalitäten im Innern der beiden Bauteile unterzubringen. Jede Struktur im Inneren des Produkts hat mehrere Funktionen, so stützen Gitter beim Druck die überhängenden Partien; im Betrieb dämpfen sie das Herumschwappen des Brennstoffs. So gelingen ultrakompakte und -integrierte Produkte, die zudem keinerlei Nachbearbeitungs- und Montageaufwand benötigen.

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Eine Konstruktion, die die Vorteile der additiven Fertigung derart intelligent ausnutzt, erfordert einerseits viel Know-how über den Prozess und andererseits Werkzeuge, die dieses Know-how unterstützen und in Produkte übersetzen. Eine Entwicklungsumgebung, die Design for Additive Manufacturing (DfAM) ermöglicht, versetzt den Anwender in die Lage, den 3D-Druckprozess zu beeinflussen und genauer zu definieren, als dies ein üblicher Slicer anbietet. Die Anpassung der Druckstrategie und die Simulation des Bauvorgangs laufen idealerweise in einem integrierten System ab, um Erkenntnisse aus der Simulation sofort in das Urmodell zurückführen zu können.

Technologiedemonstrator und marktfähiges Produkt

In der Ausstellung der PTC Liveworx, die im Mai 2023 in Boston stattfand, wurde ein Schnittmodell der Turbine gezeigt, zudem präsentierte ein Vortrag das Projekt. Verantwortlich dafür zeichnen Dr. Ronen Ben Horin, VP of Technology bei PTC und Senior Research Fellow am Technion - Israel Institute of Technology sowie Beni Cukurel, außerordentlichem Professor für Luft- und Raumfahrt am Technion.

Das Mikro-Turbotriebwerk, dessen Rotor bis zu 50.000 min^-1 erreicht, ist einerseits ein Technologiedemonstrator für additive Technologien in der Aerospace-Industrie, andererseits aber auch ein potenziell marktfähiges Produkt, das beispielsweise in kommerziellen oder militärischen Drohnen zum Einsatz kommen könnte. Das Triebwerk besteht aus lediglich zwei Bauteilen, die alle Funktionen in sich vereinen und die auf einer EOS-300-Maschine in einem Durchgang gemeinsam gedruckt werden. Die beim Metall-3D-Druck oft notwendige, aufwändige Nachbearbeitung entfällt komplett; das Triebwerk ist nach dem Entpulvern und Lösen von der Grundplatte einsatzbereit. Das reduziert die Kosten und ermöglicht eine On-Demand-Fertigung direkt beim Kunden vor Ort.

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Keine Stützstrukturen nötig

Design for Additive Manufacturing (DfAM) ist sehr komplex und erfordert ein großes Fachwissen über die Gestaltungsmöglichkeiten, Prozessabläufe und Beschränkungen des Druckprozesses. Gerade der hier verwendete hochtemperaturfeste Edelstahl Inconel neigt beim 3D-Druck sehr zum Verziehen und zu Rissen. Statt nun viele, mühsam zu entfernende Stützstrukturen anzubringen, wurden Prozess und Gestaltung so angepasst, dass alle Spannungen im Bauteil aufgenommen werden und keine Stützen notwendig waren. Unter anderem wurde der Rotor so gestaltet, dass alle Schichten dieselbe bearbeitete Fläche aufweisen. Damit ist die Kühlzeit aller Schichten gleich und sogar so filigrane Strukturen wie die Schaufelblätter lassen sich ohne Verzug drucken. Zudem wurde die Steigung der Blätter so gewählt, dass auch hierfür keine Stützstrukturen notwendig wurden.

Intelligent konstruiert

Die gleichmäßige Abkühlung des Materials sorgt zudem dafür, dass die Gefügestruktur des Stahls gleichmäßig ist. Bei ungleichmäßiger Abkühlung finden sich im Werkstoff Martensit- und Austenit-Gefüge, schon rein optisch durch dunklere und hellere Bereiche sichtbar. Der Werkstoff der Turbine liegt dagegen – wie gewünscht – komplett als austenistisches Gefüge vor.

Das Statorgehäuse, in dem sich der Rotor dreht, ist ebenfalls voller intelligenter Ideen, die mehrere Funktionen in eine Struktur integrieren:

• So fließt der Brennstoff in eine rund um das Rotorlager angeordneten Kammer, die mit einem Gitter ausgefüllt ist.

• Dieses Gitter führt zum einen Wärme aus dem Lager in den Brennstoff ab und kühlt so das Lager. Zum anderen verhindert die Gitterstruktur das Herumschwappen des Treibstoffs – und nicht zuletzt stützt sie das „Dach“ der Kammer beim Drucken.

• Öffnungen in dieser Kammer ermöglichen es dem Treibstoff, in den Schlitz zwischen Rotor und Stator zu gelangen, der Treibstoff dient so als hydrostatische Lagerung für den Rotor.

• Auch die Brennkammer der Turbine ist zum Teil mit einem Stützgitter gefüllt, das die Deckwandung trägt und so gestaltet ist, dass es der Verbrennungshitze widersteht.

Normalerweise entstehen im Laser-Metalldruck raue Oberflächen, denn beim Laserschmelzen werden auch immer Pulverkörner knapp neben dem Schmelzpool mit der Oberfläche verbacken. Deshalb werden die fertigen Metallteile sandgestrahlt und Funktionsflächen überfräst. Das ist natürlich in dem Lagerspalt zwischen Stator und Rotor nicht möglich. Die Technion-Mitarbeiter bedienen sich deshalb eines Tricks: Fertigt man zwei Wände sehr nah nebeneinander, „saugt“ der Laserstrahl das Pulver im Zwischenraum beim Herstellen der zweiten Wand durch die Kapillarwirkung des Schmelzpools aus dem Zwischenraum. So entsteht ein leerer Spalt und es sind keine Pulverkörner mehr vorhanden, die anbacken können.

Keine Nachbearbeitung nötig

Um solche Tricks wie den beschriebenen anwenden zu können, muss es möglich sein, den Prozess genauestens zu beeinflussen und zu definieren. „Das geht nicht ohne eine Lösung, die Modellierung, Slicing, Scanstrategie und Prozessdefinition sowie Simulation eng integriert“, sagte Ben Horin. „Mit der Turbine zeigen wir unseren Aerospace-Kunden, wie gut sich Creo für diesen Prozess eignet.“

„Bisher war der AM-Prozess oft nicht skalierbar“, so Horin weiter, „weil die erzeugten Teile viel manuelle Nachbearbeitung erforderten. Das konnten wir hier vermeiden.“ Neben der nicht notwendigen Nachbearbeitung ist das äußerst geringe Gewicht der Turbine von 3,6 Kilogramm ein wichtiger Vorteil. Zudem kann das Triebwerk ohne weitere Montage ausschließlich mithilfe eines Metalldruckers gefertigt werden – direkt beim Kunden oder beispielsweise auf einem Schiff.

Die Strahlturbine zeigt einerseits, welche Potenziale im 3D-Druck schlummern, sie macht allerdings auch deutlich, dass großes spezifisches Know-how über den Fertigungsprozess notwendig ist, um diese Potentiale voll auszunutzen. Das ist allerdings bei allen Fertigungsverfahren so – auch beim Schweißen muss man wissen, wie man zwei Bleche abschnittsweise heftet, statt sie einfach durchzuschweißen, um Verzug zu vermeiden.

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Weiterbildung für Konstrukteure wichtig

Die additive Fertigung ist einfach noch nicht so verbreitet, dass diese typischen „schmutzigen kleinen Tricks“, die den Unterschied zwischen dem Theoretiker und dem erfahrenen Praktiker ausmachen, allgemein bekannt wären. Und nicht zuletzt ist das ganze Praxiswissen nichts wert, wenn man nicht die Werkzeuge hat, um diese Tricks in den Bauprozess einfließen lassen zu können. Ohne die ausgereiften DfAM-Funktionen in Creo wäre das nahezu unmöglich und jedenfalls nicht effizient umsetzbar.

Als weitere Erfolgskomponente ist „Out-of-the-Box“-Denken notwendig, um nicht einfach den aus Einzelteilen zusammengesetzten, althergebrachten Aufbau additiv umzusetzen, sondern um durch Gestalten des Innenraums die Integration aller Funktionen auf die Spitze zu treiben. Neue Fertigungsverfahren bringen neue Möglichkeiten, das war schon immer so. Weiterbildung ist hier notwendig, um am Puls der Zeit zu bleiben.

* Dipl.-Ing. Ralf Steck, freier Fachjournalist für die Bereiche CAD/CAM, IT und Maschinenbau, rsteck@die-textwerkstatt.de

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