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FHNW: Richtig gestalten für generative Fertigung Müssen Konstrukteure «additiv» konstruieren?

| Redakteur: Konrad Mücke

Konstrukteure sollen künftig anders denken. Nur so lassen sich die Vorteile der generativen Fertigung in Bauteilen wirklich nutzen. Mit welchen Inhalten und Aspekten der Fertigung sich Kons­trukteure vermehrt befassen müssen, erläutert Prof. Dr. Kaspar Löffel im Gespräch mit dem SMM.

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Konstrukteure sollen künftig anders denken. Nur so lassen sich die Vorteile der generativen Fertigung in Bauteilen wirklich nutzen.
Konstrukteure sollen künftig anders denken. Nur so lassen sich die Vorteile der generativen Fertigung in Bauteilen wirklich nutzen.
(Bild: gemeinfrei/8385 / Pixabay )

SMM: Herr Professor Löffel, zahlreiche Branchen und Fertigungsbetriebe sehen die generative Fertigung inzwischen längst als alternatives Verfahren, um Bauteile kurzfristig und sogar wirtschaftlicher herstellen zu können. Oft hört man, dass dabei einfach die bestehenden Konstruktionen kopiert werden. Um die Vorteile des generativen Herstellverfahrens – wir sprechen hier vorwiegend von metallischen Werkstücken – umfassend zu nutzen, müsste man allerdings anders vorgehen. Wie beurteilen Sie die aktuellen Konstruktionen generativ gefertigter Bauteile?

Prof. Dr. Kaspar Löffel: Es gab und gibt nach wie vor einen wirklichen Hype. Der wird in der nächsten Zeit etwas abflachen. Es wird sich herauskristallisieren, dass auf der einen Seite viel – auf Dauer betrachtet – Unsinniges angefangen wurde, auf der anderen Seite aber einige sehr sinnvolle Entwicklungen in Gang gesetzt wurden. Ein Beispiel für völlig überzogene, dem Hype geschuldete Vorstellungen aus der Anfangszeit der additiven Fertigung war der Wunsch mancher Führungspersonen, ein komplettes Auto im 3D-Druck herzustellen. Das ist natürlich unsinnig. Auf der anderen Seite gab es allerdings die überzeugten Kritiker. Sie meinten, man könne doch nur einen porösen Schwamm drucken. Inzwischen hat die Technologie bewiesen, dass sie sehr viel mehr kann. Heute druckt man stabile Bauteile, die zum Beispiel einem gegossenen Bauteil unbedingt ebenbürtig sind. Es hat aber lange gedauert, die Kritiker unter den Konstrukteuren davon zu überzeugen. Man kann inzwischen mit 3D-Druck sehr gut nutzbare, praxistaugliche Bauteile auch wirtschaftlich fertigen, nicht nur als Einzelstücke, sondern auch in Serien.

Hier gilt die Ansicht eines Kollegen: Additive Manufacturing ist die gleichzeitig völlig über- und dabei unterschätzte Technologie. Überschätzt von Optimisten, die meinen, man könne alles 3D drucken, unterschätzt von denjenigen, die sagen, das Verfahren sei nur ein Spielzeug und gehe an den Forderungen der Wirklichkeit vorbei.

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Das führt uns zu einem wichtigen Aspekt, der häufig diskutiert wird. Immer wieder hört man, dass speziell für den 3D-Druck Konstrukteure von Beginn an ganz anders denken müssen. Warum ist es so wichtig, bereits beim Konstruieren das Herstellverfahren «Additiv» zu berücksichtigen?

Prof. Dr. K. Löffel: Den Begriff und die Vorgehensweise fertigungsgerecht zu konstruieren hat es schon immer gegeben. Das gilt selbstverständlich gleich bei der additiven Fertigung

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. Doch nun kommen einige besondere Kriterien hinzu, die es zu beachten gilt. Da geht es zum Beispiel um Überhänge. Damit bezeichnet man Geometrien und Regionen eines Bauteils, die beim schichtweisen Aufbau aus Pulver – dem weitaus verbreitetsten Verfahren im Metall-3D-Druck – auf eine darunterliegende Pulverschicht aufgebracht würden. Das ist zu vermeiden. Man versucht, weitere Schichten stets auf bereits stabile, mit dem Laser verschweisste Werkstoffbereiche aufzutragen. Ansonsten müsste man im Bereich der Überhänge zusätzliche Stützkonstruktionen vorsehen. Die benötigen aber unnötig Zeit, Werkstoff und anschliessend Arbeitsaufwand, da man sie nach dem Fertigstellen des Bauteils wieder entfernen muss.

Konsequenz ist, dass man flache Wandungen im Winkel kleiner etwa 45 Grad zur Waagerechten vermeidet. Das ist beispielsweise etwas, was Konstrukteure hinzulernen müssen, um für den 3D-Druck fertigungsgerecht zu konstruieren. Bisher gestaltete Bauteile müssen in dieser Hinsicht häufig umkonstruiert werden. Bei neuen Bauteilen ist dieses Kriterium von Beginn an einzukalkulieren.

Ein weiterer wichtiger Aspekt für Konstrukteure und Fertigungsplaner ist die Lage des Bauteils im Bauraum der 3D-Druck-Anlagen, vornehmlich bei Pulver-Bett-Verfahren. Baut man ein Bauteil schichtweise so auf, dass schmale Wände nahezu senkrecht nach oben verlaufen, erübrigen sich Stützkonstruktionen. Das trägt wesentlich dazu bei, dass man prozesssicher, sehr viel schneller und wirtschaftlicher fertigt.

Welche besonderen Kriterien erachten Sie als entscheidend beim Konstruieren für die generative Fertigung? Welche Geometrien und Formen lassen sich überhaupt verwirklichen?

Prof. Dr. K. Löffel: Beim Konstruieren für additiv zu fertigende Bauteile hat der Konstrukteur den Vorteil, dass er zunächst einfach betrachten kann, an welchen Positionen ein Bauteil wirklich Werkstoff braucht, um eine Funktion zu erfüllen. So kann er von Beginn an besonders wirtschaftlich konstruieren – Werkstoff kostet Geld und wird tatsächlich nur dort eingebracht, wo er unbedingt notwendig ist.

Zudem bringt die Vorgehensweise, Werkstoff nur an den wirklich notwendigen Stellen anzuordnen, weitere Vorteile. Das betrifft beispielsweise den Leichtbau, aber auch Bauteile, die später dynamisch bewegt werden. Man kann Masse minimieren sowie für die Festigkeit und das Trägheitsmoment möglichst günstig verteilen. Darüber hinaus lassen sich bei einem generativen Aufbau manche Funktionen in ein Bauteil integrieren, die zuvor nur mit unterschiedlichen Bauteilen und deren aufwendiger Montage zu verwirklichen waren. Diese Aspekte muss der Konstrukteur allerdings von Beginn an in seiner Gestaltung berücksichtigen und immer im Kopf behalten.

Wird diese Konstruktionsweise dazu beitragen, dass künftig viele Bauteile sich sehr viel wirtschaftlicher herstellen lassen?

Prof. Dr. K. Löffel: Das gilt nicht erst für die Zukunft. Auch heute schon sehen wir einige Bauteile, die richtig konstruiert und aufgebaut sogar in Serien deutlich wirtschaftlicher im 3D-Druck als in bisherigen Verfahren gefertigt werden. Als ein Beispiel mögen Einspritzdüsen für ein Flugzeugtriebwerk dienen. Ehemals montierte man sie aus jeweils über 20 Einzelteilen. Inzwischen werden die Düsen als Monoblock auf 3D-Druckanlagen in Serien gefertigt. Das erübrigt die sehr aufwendige, langwierige und kostenintensive Montage. Zudem sind die 3D-gedruckten Düsen viel leichter. Das reduziert den Energieverbrauch der damit ausgestatteten Flugzeuge. Insgesamt ist damit der 3D-Druck in der Gesamtbetrachtung also sehr viel wirtschaftlicher.

Welche Unterschiede sind beim Konstruieren zu beachten, wenn man zusätzlich die mechanischen Eigenschaften generativ gefertigter Bauteile, zum Beispiel Festigkeit, Dehnungs- und Bruchverhalten, berücksichtigt?

Prof. Dr. K. Löffel: Die Werkstoffeigenschaften von generativ erzeugten Metallen und Legierungen kennt man inzwischen sehr gut. Man weiss also, dass ein unter spezifizierten Parametern hergestelltes Bauteil aus einem ebenso spezifizierten Pulver beschriebene Eigenschaften hat. So können Konstrukteure eigentlich wie gewohnt arbeiten. Sie berechnen die geforderten Eigenschaften in bestimmten Bauteilbereichen, etwa die benötigte Zugfestigkeit oder Härte, und wählen danach den einzusetzenden Werkstoff und die Verfahrensparameter. Insofern hat sich beim Konstruieren und Auslegen von Bauteilen nur wenig geändert zu der bekannten Vorgehensweise.

Selbstverständlich unterscheiden sich die Eigenschaften der aus Pulver im 3D-Druck hergestellten Werkstoffe etwas von den üblichen, beispielsweise gegossenen, gewalzten oder geschmiedeten Metallen. Aber sie sind nicht per se schlechter. Statische Festigkeiten der 3D-gedruckten Metalle sind häufig sogar besser als bei bisherigen Metallen. Dynamische Belastung, also die sogenannte Ermüdung, ertragen 3D-gedruckte Werkstoffe meist etwas schlechter. Das ist aber inzwischen eindeutig für Pulver und Verfahrensparameter zuverlässig charakterisiert. Konstrukteure können also wie gewohnt mit vorliegenden Daten arbeiten und diese bei ihrer Konstruktion und Berechnung berücksichtigen.

Als Beweis mögen die erwähnten Einspritzdüsen dienen. Sie halten den Drücken und anderen mechanischen, chemischen und korrosiven Belastungen ebenso stand wie die aus ehemals üblichen Metallen gefertigten Komponenten. Ansonsten würden sie nicht im Flugzeugbau eingesetzt werden, der ja bekanntlich sehr strenge Forderungen an die Zuverlässigkeit der Bauteile stellt.

Wie beurteilen Sie die Versprechen von 3D-CAD-Software, man könne inzwischen damit additiv-gerecht konstruieren? Ist das realistisch oder müssen Konstrukteure weitere Richtlinien zum Konstruieren für den 3D-Druck beachten?

Prof. Dr. K. Löffel: Die allgemeinen Richtlinien müssen Konstrukteure unbedingt beachten. Dazu gehören beispielsweise die Hinweise zu Überhängen oder zu beachtende Mindestwanddicken. Als einen besonderen Vorteil haben die Softwarehersteller inzwischen einige Funktionen integriert, die speziell auf die additiv zu fertigenden Bauteile abzielen. Das betrifft zum Beispiel die automatische Konstruktion von Stützstrukturen. Niemand wäre willens, hunderte kleine Stützstäbe manuell zu konstruieren. Das übernimmt inzwischen die CAD-Software nicht nur eines marktführenden, auf 3D-Druck spezialisierten Herstellers. Auch alle weiteren, bekannten Hersteller von 3D-CAD-Software integrieren nunmehr solche Spezialfunktionen.

Wie kann man die «neue Denkweise» beim Konstruieren der aktuellen und den künftigen Generationen an Konstrukteuren am besten vermitteln?

Prof. Dr. K. Löffel: Es gibt heute bereits eine Vielzahl an Kursen zur Weiterbildung, bei Instituten, Unternehmen, Hochschulen und auch bei uns. Ebenso stehen viele Spezialisten, auch von unserer Hochschule, für spezielle Seminare oder Tagungen zur Verfügung. Nach meiner Einschätzung ist aber das Wissen bereits weit verbreitet in der Industrie. Junge Ingenieure bringen das minimale Rüstzeug für die additive Fertigung meist schon von ihrer Ausbildung an den Hochschulen mit.

Nach meiner Erfahrung ist es im industriellen Alltag besonders günstig, einerseits junge und andererseits erfahrene Konstrukteure und Projektentwickler zusammen in einem Team arbeiten zu lassen. Die einen bringen das aktuelle Wissen und innovative Ideen ein, die anderen können mit ihrer Erfahrung und ihren weitreichenden Erkenntnissen aus der Praxis den Konstruktionsprozess stabilisieren. So gelangen zukunftsweisende Verfahren und Prozesse schnell in den betrieblichen Alltag, ohne über das Ziel hinauszuschiessen. Zugleich werden aber auch die erfahrenen Kollegen im Unternehmen gefordert, sich mit innovativen Ideen sinnvoll und nutzbringend auseinanderzusetzen.

Wie betrachten Hochschulen und die Ausbildungsträger das Thema additive Fertigung in ihren Lehrplänen?

Prof. Dr. K. Löffel: Inzwischen haben sicher sämtliche Hochschulen und Universitäten in der Schweiz für die technischen Fachrichtungen das Thema additive Fertigung in ihre Lehrpläne, Seminare und Übungen integriert. Auch international wird das ähnlich sein. Sogar für die Berufsbildung des Werkstattpersonals, für Lehrlinge der Polymechanik, ist der Swissmem dabei, die additive Fertigung in den Lehr- und Ausbildungsplänen zu berücksichtigen.

Herr Professor Löffel, vielen Dank für Ihre Informa- tionen.

Das Interview führte unser Redaktor Konrad Mücke. SMM

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