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Additive Fertigung

Ressourceneffiziente Fertigung metallischer Bauteile

| Redakteur: Beate Christmann

Im neu eröffneten 3D-Drucklabor für Metall und Strukturwerkstoffe haben Fraunhofer-Forscher untersucht, wie sich die additive Herstellung von Leichtbaukomponenten aus Aluminium im Vergleich zu konventionellen industriellen Fertigungsverfahren auf den Ressourceneinsatz auswirkt.

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Ein Gitterwürfel mit 40 cm Kantenlänge, der im selektiven Laserschmelzen (SLM) gefertigt wurde: Im 3D-Drucklabor für Metall und Strukturwerkstoffe des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, steht nach Aussage der Forscher einer der derzeit größten kommerziell verfügbaren 3D-Drucker für Metalle. Dort untersuchen die Wissenschaftler, wie ressourceneffizient ein Herstellungsprozess von Leichtbaukomponenten aus Aluminium tatsächlich ist.
Ein Gitterwürfel mit 40 cm Kantenlänge, der im selektiven Laserschmelzen (SLM) gefertigt wurde: Im 3D-Drucklabor für Metall und Strukturwerkstoffe des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, steht nach Aussage der Forscher einer der derzeit größten kommerziell verfügbaren 3D-Drucker für Metalle. Dort untersuchen die Wissenschaftler, wie ressourceneffizient ein Herstellungsprozess von Leichtbaukomponenten aus Aluminium tatsächlich ist.
(Bild: Fraunhofer-EMI)

Während sich die additive Fertigung von Kunststoffbauteilen bereits etabliert hat, ist die Branche beim 3D-Druck von Metallen noch nicht ganz so weit. Im 3D-Drucklabor Metall und Strukturwerkstoffe am Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, in Freiburg, haben Forscher nun untersucht, wie ressourceneffizient der Herstellungsprozess ist, wenn Leichtbaukomponenten aus Aluminium additiv gefertigt werden.

Kombination von additiver Fertigung und intelligentem Leichtbau

„Wir konnten quantifizieren, wie sich Leichtbau und speziell der Einsatz von Methoden der Strukturoptimierung auf die eingesetzten Ressourcen während des Herstellungsprozesses mittels selektivem Laserschmelzen auswirken. Im Fokus unserer Untersuchung standen die Kennwerte Strom- und Materialbedarf, Fertigungszeit und CO2-Emissionen“, erklärt Klaus Hoschke, Gruppenleiter am Fraunhofer-EMI. Sein Team zeigt sich überzeugt, dass erst die Kombination von additiver Fertigung und intelligentem Leichtbaudesign eine maximal ressourceneffiziente Produktion erlaubt.

Als Bauteil für den Test wurde ein Radträger verwendet, wie er beispielsweise in einem Leichtbaufahrzeug eingesetzt werden könnte. Nachdem die Forscher im ersten Schritt einen Designentwurf mithilfe der numerischen Finite-Elemente-Methode (FEM) simuliert, analysiert und die geeignete geometrische Form bestimmt hatten, konstruierten sie den Radträger im optimierten Leichtbaudesign. Das Resultat war ein Radträger, der auf die definierten Lastszenarien ausgelegt ist und eine maximale Performance bietet.

„Enorme Ressourcen einsparen“

„Mit dem leichteren Modell konnten wir während der Fertigung enorm Ressourcen einsparen, da pro Bauteil weniger Material erzeugt werden muss. Multipliziert man dies auf eine Kleinserie, so benötigt man weniger Zeit, Material und Energie für die Herstellung. Eine Reduktion des Volumens durch Nutzung höherfester Werkstoffe besitzt hierbei das größte Einsparungspotenzial“, sagt Hoschke.

Mithilfe der numerisch optimierten Version des Radträgers konnten nach Aussage der Wissenschaftler im Vergleich zum konventionellen Design 15 % der für den additiven Prozess nötigen Energie gespart werden. Der Strombedarf betrug demnach beim konventionellen Design 12 kWh, beim numerisch optimierten Design nur 10 kWh, wobei sich der Messwert jeweils auf ein Bauteil der Serienfertigung bezieht. Die Fertigungszeit soll um 14 % sowie die CO2-Emission um 19 % reduziert worden sein. Mit 28 % fiel die Einsparung laut Fraunhofer-EMI beim Material noch deutlicher aus.

Vorteile nicht nur, wenn Bauteile per se strukturoptimiert sein müssen

Bereits heute werden strukturoptimierende Algorithmen beziehungsweise numerische Optimierungssimulationen beim 3D-Druck von Bauteilen verwendet, jedoch nur dann, wenn die Komponente eine möglichst geringe Masse haben soll, um später etwa im Flugzeugbetrieb Kraftstoff zu sparen. Die Ergebnisse der Kleinserienproduktion des Radträgers legen nach Ansicht der Wissenschaftler nahe, dass sich die additive Fertigung auch dann anbietet, wenn ein Bauteil nicht per se strukturoptimiert werden muss.

Hoschke und sein Team geben an, künftig erforschen zu wollen, inwiefern andere Bauhöhen, Seriengrößen und Werkstoffe wie etwa Titan die Ressourceneffizienz des Herstellungsprozesses beeinflussen.

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