3D-Druck für Metalle: Viel Potenzial für Einsparungen

3D-Druck Metallische Komponenten ressourceneffizient herstellen

Die additive Fertigung von Kunststoffen ist in vielen Bereichen etabliert. Wie ist der Stand bei Metallen? Forscher haben jetzt untersucht, wie ressourceneffizient der Herstellungsprozess ist, wenn Leichtbaukomponenten aus Aluminium additiv gefertigt werden.

Wenn additive Fertigung und intelligentes Leichtbaudesign kombiniert werden, ist eine enorm ressourceneffiziente Produktion möglich – das haben Forscher im 3D-Drucklabor Metall und Strukturwerkstoffe am Fraunhofer EMI in Freiburg gezeigt. Im Labor steht einer der größten kommerziell verfügbaren 3D-Drucker für Metalle. Per selektivem Laserschmelzen (SLM) kann er metallische Strukturen mit Abmessungen von bis zu 40 Zentimetern additiv fertigen.

Bauteil für den Test der Forscher war ein Radträger aus dem Leichtbau. „Wir konnten quantifizieren, wie sich Leichtbau und speziell der Einsatz von Methoden der Strukturoptimierung auf die eingesetzten Ressourcen während des Herstellungsprozesses mittels SLM auswirken“, sagt Klaus Hoschke, Wissenschaftler und Gruppenleiter am Fraunhofer EMI. Im Fokus standen Strom- und Materialbedarf, Fertigungszeit sowie die CO2-Emissionen, die bei einer Kleinserienproduktion von zwölf Radträgern anfallen.

28 Prozent Materialersparnis

Im ersten Schritt simulierten und analysierten die Forscher einen Designentwurf mithilfe der numerischen Finite-Elemente-Methode (FEM). Sie bestimmten die geeignete geometrische Form und konstruierten anschließend den Radträger im optimierten Leichtbaudesign. Resultat war ein Radträger, der auf die definierten Lastszenarien ausgelegt ist und eine maximale Performance bietet.

Wegen ihrer geometrischen Komplexität lassen sich derart gefertigte Strukturen nicht konventionell herstellen – beispielsweise durch Fräsen oder Drehen. „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“, so Klaus Hoschke.

Mithilfe der numerisch optimierten Version des Radträgers konnten die Forscher im Vergleich zum konventionellen Design 15 Prozent der für den additiven Prozess nötigen Energie sparen. Der Strombedarf betrug nur zehn Kilowattstunden pro Bauteil der Serienfertigung. Die Fertigungszeit reduzierte sich um 14 Prozent, die CO2-Emission um 19 Prozent. Die Einsparung beim Material betrug sogar 28 Prozent.

Herstellungskosten senken

Bereits heute verwenden Techniker strukturoptimierende Algorithmen bzw. numerische Optimierungssimulationen beim 3D-Druck von Bauteilen –  aber nur, wenn die Komponente eine möglichst geringe Masse haben soll, um später etwa im Flugzeugbetrieb Kraftstoff zu sparen. Bauteile ohne Anwendungsimplikation einer Strukturoptimierung werden meist mit herkömmlichen industriellen Verfahren produziert. Die Ergebnisse der Kleinserienproduktion des Radträgers legen nahe, dass sich die additive Fertigung auch dann anbietet, wenn ein Bauteil nicht per se strukturoptimiert werden muss. „Ein Wärmetauscher oder eine Werkzeugform etwa müssen nicht leicht sein, um eine bessere Funktion zu erfüllen. Dennoch ist es sinnvoll, sie mit einem geringen Gewicht und Volumen auszulegen, wenn sie additiv gefertigt werden, da man die Herstellungskosten senken kann“, erklärt Hoschke.

Welche Auswirkung wird die generative Fertigung von Metallen auf die globale Produktion haben? Die Forscher sind uneins. Doch in vielen Industrien wie die Luft- und Raumfahrttechnik, die Fahrzeug- und Medizintechnik sowie den Werkzeugbau könnte additive Fertigung die Produktion entscheidend verändern. Künftig wollen Klaus Hoschke und sein Team erforschen, inwiefern andere Bauhöhen, Seriengrößen und Werkstoffe wie etwa Titan die Ressourceneffizienz des Herstellungsprozesses beeinflussen.

© Foto Fraunhofer EMI: Anordnung mehrerer Strukturkomponenten auf einer Grundplatte nach abgeschlossenem Lasersinterprozess.