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Anwendungen Was die Additive Fertigung kann

| Redakteur: Dorothee Quitter

Egal ob Leichtbau, Komponentenreduktion oder der Faktor Zeit im Vordergrund stehen – Wir zeigen spektakuläre Anwendungen des 3D-Drucks.

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Die komplex verzweigte Rahmen-Hohlstruktur des Light Riders wurde additiv gefertigt und weist mit 6 kg eine Gewichtsersparnis von 30 % zu herkömmlichen Rahmen auf.
Die komplex verzweigte Rahmen-Hohlstruktur des Light Riders wurde additiv gefertigt und weist mit 6 kg eine Gewichtsersparnis von 30 % zu herkömmlichen Rahmen auf.
(Bild: Apworks)

Leichtbauoptimierter Rahmen für elektrisches Motorrad

Die Premium-Aerotec-Tochter AP-Works verfolgt das Ziel, Technologien aus der Luftfahrt für die Industrie nutzbar zu machen. So fertigt sie für Anwender in der Robotik und im Automobilbau bionisch optimierte Metallkomponenten im Selektiven Laserschmelzen (SLS). Am Beispiel eines Elektromotorrads zeigte AP-Works 2016, welche Möglichkeiten diese Technologie bietet. Der fahrfertige Prototyp wiegt 35 kg und fährt bis zu 120 km/h. Dabei entfallen auf den Rahmen gerade einmal 6 kg – Verglichen zu anderen Elektromotorrädern dieser Klasse eine Gewichtsersparnis von 30 %. Mittels Topologieoptimierung und generativem Design wurde die bestmögliche Struktur ermittelt, um die bei der Fahrt auftretenden Belastungen aufzunehmen. Dabei wurde ein Algorithmus angewandt, der bionisch arbeitet: Natürliche Wachstumsprozesse geben dabei vor, welche Lastpfade stärker auszuführen sind, und welche weniger stark. Das Ergebnis der Optimierung erinnert nur noch entfernt an ein Motorrad, wie man es bisher kennt. Dank der Fortschritte im Bereich der additiven Fertigung konnte die bionische Konstruktion unverändert realisiert werden. So wurde der Rahmen aus tausenden 60 µm dünnen Scalmalloy-Pulver-Schichten aufgebaut. Scalmalloy ist eine korrosionsbeständige Aluminium-Legierung mit nahezu der spezifischen Festigkeit von Titan. Speziell von AP-Works für die additive Fertigung entwickelt, soll sie eine hohe Festigkeit mit einem hohen Maß an Duktilität verbinden.

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Gasdichter Mikroreaktor zur Molekülbestimmung

Der 3D-gedruckte Mikroreaktor misst 50 mm × 25 mm und integriert mehrere strömungsoptimierte Kanäle und Reaktionskammern sowie eine Heizung und Temperaturmesseinrichtung.
Der 3D-gedruckte Mikroreaktor misst 50 mm × 25 mm und integriert mehrere strömungsoptimierte Kanäle und Reaktionskammern sowie eine Heizung und Temperaturmesseinrichtung.
(Bild: Protolabs)

Gaschromatographen sind für die chemische Industrie unerlässlich, um genaue Aussagen über die exakte Zusammensetzung von Proben zu machen. Genaue Messergebnisse können aber nur dann entstehen, wenn auch alle Einzelteile eines solchen Instrumentes so gefertigt werden, dass sie ihren Zweck bestmöglich erfüllen – ein Umstand, der mit traditionellen Fertigungsmethoden nur schwierig zu erreichen ist. Das traf auch auf den Mikroreaktor zu. Er wird in ein Gaschromatograph-Flammenionisationsdetektor-System integriert und quantifiziert schnell die kohlenstoffhaltigen Chemikalien in einer Probe. Eines der wichtigsten Merkmale des Reaktors dabei ist, dass er auch für gasdichte Hochtemperatur-Anwendungen geeignet sein muss. Einzelne Moleküle der flüchtigen Verbindungen dürfen auf keinen Fall aus dem fertigen Produkt entweichen, da sonst die gewünschte Funktionalität nicht erreicht würde. Zur Entwicklung und Produktion des Polyarc-Microreaktors wandte sich das Unternehmen Activated Research Company an Protolabs und dessen 3D-Druck-Dienstleistungen. Gemeinsam entschied man sich zur Fertigung mittels Direktem Metall-Lasersintern (DMLS). Die Umsetzung mit dieser Methode der additiven Fertigung erlaubte es dem Unternehmen, dass innerhalb des Reaktors, trotz seines Designs in Mikroauflösung von lediglich 50 mm mal 25 mm, mehrere Kanäle, Reaktionskammern, eine Heizung und Temperaturmesseinrichtung Platz fanden. Der katalytische Mikroreaktor Polyarc kam 2015 auf den Markt.

Funktionsintegrierter Einspritzkopf eines Raketentriebwerks

Die additiv gefertigte Grundplatte mit 122 Einspritzelementen ist Teil des Einspritzkopfs.
Die additiv gefertigte Grundplatte mit 122 Einspritzelementen ist Teil des Einspritzkopfs.
(Bild: EOS)

„Mission Critical“ – eine Aussage, die in der Luft- und Raumfahrt auf Bauteile der Klasse 1 absolut zutrifft. Aus diesem Grund sind Ingenieure kontinuierlich bestrebt, Komponenten mit höchster Qualität, Funktionalität und Robustheit zu entwickeln und dabei sowohl die Fertigungskette zu vereinfachen als auch die Anzahl der Einzelbauteile zu reduzieren. Mithilfe von 3D-Drucktechnologie von EOS hat ArianeGroup diese Maxime komplett neu definiert: Der Einspritzkopf eines Raketentriebwerks am Beispiel eines zukünftigen Oberstufentriebwerks zählt statt 248 Teile nur noch eines. Der Einspritzkopf wurde im wahrsten Sinne des Wortes „ver-ein-facht“. Mittels kluger Konstruktion und der Fertigung im Selektiven Laserschmelzen (SLM) gelang es unter anderem, die 122 Einspritzdüsen, die Grund- und Frontplatte sowie den Verteilerdom mit den entsprechenden Zuleitungsstutzen für die Treibstoffe Wasserstoff und Sauerstoff als integrales Bauteil aus EOS Nickel-Alloy IN718 zu drucken. Durch die deutlich höhere Produktivität des EOS M 400-4 Multi-Lasersystems im Vergleich zu 3D-Druckern mit Single-Laser konnten, am Beispiel des AiO-Einspritzkopfs, die Bauzeit um den Faktor 3 reduziert und die Kosten um 50 % reduziert werden.

Teleskop-Struktur aus Kunststoff hält Raketenstart stand

Die mechanische Struktur des Teleskops kann die Belastungen eines Raketenstarts aufnehmen.
Die mechanische Struktur des Teleskops kann die Belastungen eines Raketenstarts aufnehmen.
(Bild: Stratasys)

Das Teleskop "Mini-EUSO" (Multiwavelength Imaging New Instrument for the Extreme Universe Space Observatory) dient der Untersuchung der terrestrischen und kosmischen UV-Emissionen. Die gesamte mechanische Struktur wurde mit dem FDM-Drucker Fortus 450mc von Stratasys hergestellt und befindet sich derzeit an Bord der ISS (International Space Station). Die Herstellung der mechanischen Struktur von Mini-EUSO stellte das italienische staatliche Forschungszentrum Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) vor mehrere Herausforderungen. Vor allem wurde ein Material benötigt, das die strengen Zertifizierungsanforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie und der ISS erfüllt und gleichzeitig den mechanischen Belastungen und Vibrationen eines Raketenstarts standhält. Nachdem ein vollständiger Prototyp aus Aluminium nicht die erwünschten Resultate erzielte, entwickelte sich der Kunststoff ULTEM 9085 Resin zur perfekten Lösung – das Material ist extrem haltbar, sehr leicht und bietet außergewöhnliche Isolierungseigenschaften sowie eine hohe chemische und thermische Beständigkeit. Somit können die Sicherheits- und Gewichtsbeschränkungen der ISS erfüllt werden. Durch den Einsatz des Stratasys FDM-3D-Drucks während der gesamten Produktion der mechanischen Struktur des Mini-EUSO konnten die Gesamtkosten des Projekts um den Faktor zehn gesenkt werden, und gleichzeitig etwa ein ganzes Jahr Entwicklungszeit eingespart werden.

Halbierte Lieferzeit für ICE-Ersatzteil

Die Lieferzeit der zwei Kastenkulissen war bei der Fertigung im WAAM-Verfahren inklusive Nachbearbeitung nur halb so lang wie beim konventionellen Gießen.
Die Lieferzeit der zwei Kastenkulissen war bei der Fertigung im WAAM-Verfahren inklusive Nachbearbeitung nur halb so lang wie beim konventionellen Gießen.
(Bild: Gefertec)

Die Verfügbarkeit von Lokomotiven und Zügen spielt eine wesentliche Rolle bei der Pünktlichkeit im Bahnverkehr. Zu den mobilitätsrelevanten Bauteilen gehört die sogenannte Kastenkulisse. Sie sorgt im Drehgestellbereich von ICE-Zügen für eine sichere Kurvenfahrt. Ersatzteile werden nicht vorgehalten, denn die Kastenkulisse zählt nicht als Verschleißteil. Als dennoch zwei Teile ausfielen, bekam der Bahnzulieferer Rolf Lenk die Aufgabe, schnellstmöglich für Ersatz zu sorgen. Für das konventionelle Gießen waren zehn Monate Lieferzeit kalkuliert worden. Rolf Lenk war überzeugt, im 3D-Metalldruck mit einer arc405 der Firma Gefertec deutlich schneller liefern zu können. Die 3DMP(3D Metal Print)-Maschinen arbeiten im WAAM(Wire Arc Additive Manufacturing)-Verfahren, bei dem handelsüblicher Draht mit Lichtbogen aufgeschmolzen wird. Im Vergleich zum Druck mit Metallpulver punktet das Verfahren mit hohen Prozessgeschwindigkeiten auch bei komplexen Bauteilgeometrien.– zwei entscheidende Faktoren bei diesem Auftrag. Gefertec übernahmen die Entwicklung der Prozessparameter anhand des von Rolf Lenk programmierten CAM-Modells. Die Herausforderung lag im Zusammenspiel von Geometrie und Prozess. Dabei mussten auch die späteren Belastungen für das Bauteil im Einsatz berücksichtigt werden. Am Ende konnten die zwei Kastenkulissen bereits nach fünf Monaten statt der sonst angefallenen zehn Monate geliefert werden.

Kompletter Elektromotor im Multimaterialdruck

Diese Statoren einer dreiphasigen wickelkopflosen Reluktanzmaschine wurden mittels 3D-Multimaterialdruck hergestellt.
Diese Statoren einer dreiphasigen wickelkopflosen Reluktanzmaschine wurden mittels 3D-Multimaterialdruck hergestellt.
(Bild: TU Chemnitz/Jacob Müller)

Forschern der Professur für Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe an der Technischen Universität Chemnitz gelang 2018 der Druck von vollständigen elektrischen Motoren. Das hierfür selbstentwickelte 3D-Multimaterialdruckverfahren verwendet metallische und keramische Pasten, die durch Extrusion schichtweise in Form gebracht und anschließend gesintert werden. Damit konnten alle wichtigen Komponenten einer elektrischen Maschine in einem Druckvorgang hergestellt werden. Dazu zählen die elektrischen Leiter aus Kupfer, die zusammen mit Eisen bzw. eisenhaltigen Legierungen die Bildung und Ausrichtung der magnetischen Felder bewirken und die elektrische Isolation aus Keramik, die die Leiter untereinander und gegen die als Magnetkreis bezeichneten Teile aus Eisen isoliert. Ziel der Forschungsarbeit war die Verschiebung der Einsatztemperatur von elektrischen Maschinen über 220 °C. Erreicht wurde dies durch den Austausch von polymerbasierten Isolationsmaterialien durch spezielle Keramiken. Neben der höheren Temperaturbeständigkeit weist das keramische Isolationsmaterial auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf – wodurch auch die Leistungsdichte elektrischer Maschinen erhöht werden kann.

Treibstoffsparendes Flüssigkeitstriebwerk für Microlauncher

Die Düse selbst besteht aus einem stachelförmigen Zentralkörper, über den die Verbrennungsgase beschleunigt werden.
Die Düse selbst besteht aus einem stachelförmigen Zentralkörper, über den die Verbrennungsgase beschleunigt werden.
(Bild: Fraunhofer IWS/TU Dresden)

Um kleine Satelliten mit einer Nutzlast bis 350 kg ins All zu bekommen, braucht es keine ganze Trägerrakete. Sogenannte Microlauncher sind eine gute Alternative. Mit dem Ziel 30 % Treibstoff einzusparen, haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS gemeinsam mit Raumfahrtexperten der TU Dresden Anfang 2020 ein leichtes, treibstoffsparendes Aerospike-Triebwerk additiv entwickelt, gefertigt und getestet. Die Besonderheit: Treibstoffinjektor, Brennkammer und Düse werden per Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) hergestellt. Die Düse selbst besteht aus einem stachelförmigen Zentralkörper, über den die Verbrennungsgase beschleunigt werden. Ausschlaggebend für die Additive Fertigung war die Umsetzung einer konturnahen Kühlung mit 1mm breiten innen liegenden Kühlkanälen. Die Anforderungen an das Metall: Es muss bei hohen Temperaturen fest sein und Wärme gut leiten können, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten, denn in der Brennkammer werden Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius herrschen.

Maßgeschneiderte PTFE-Teile

Dank der neuen Technologie von 3M können erstmals vollfluorierte Polymere wie PTFE mittels 3D-Druck verarbeitet werden.
Dank der neuen Technologie von 3M können erstmals vollfluorierte Polymere wie PTFE mittels 3D-Druck verarbeitet werden.
(Bild: 3M)

PTFE ist ein hochwertiger Kunststoff, der großen Belastungen und Temperaturen bis zu 300° C standhält. Genau das macht die Verarbeitung im 3D-Druckverfahren schwierig. 3M hat deshalb ein neues 3D-Druckverfahren entwickelt. Bei dem neuen Verfahren liegt das Ausgangsmaterial bereits in flüssigem Zustand vor und wird mittels UV-Bestrahlung Schritt für Schritt ausgehärtet. Dafür kommt ein spezielles lichtempfindliches Bindematerial zum Einsatz, das nach dem Druckvorgang thermisch entfernt wird. Dank der neuen Technologie können erstmals vollfluorierte Polymere für Prototypen und Kleinserien mittels 3D-Druck verarbeitet werden.

Dieser Beitrag erschien zuvor auf unserem Partnerportal Konstruktionspraxis.de.

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