Im Rahmen des Projekts „Best“ haben Forscher von Cenit und der TU Hamburg Stützstrukturen beim 3D-Druck untersucht. Sie ließen sich dabei von Bauplänen und Methoden der Natur inspirieren. Ihr Ziel war es, die Herstellung von Stützstrukturen bei der additiven Fertigung zu verbessern.
Bäume als effiziente Stützstrukturen in der additiven Fertigung
Beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M) kommen Stützstrukturen zum Einsatz, damit der 3D-Druck komplexer Geometrien möglich ist. Oftmals ist es den Forschern zufolge noch so, dass aktuell Stützstrukturen nicht optimal gebaut werden und entweder überdimensioniert sind oder Fehldrucke entstehen. Es wird mehr Material verwendet als benötigt, was zu höheren Kosten und längeren Druckzeiten führt, als es notwendig wäre.
Im Projekt „Best“ werden die Stützstrukturen dem natürlichen Baumwachstum nachempfunden, wodurch sie hochgradig ressourceneffizient sind und keinerlei Funktionalität eingebüßt wird.
Jochen Michael, Senior Consultant bei der Cenit, sagte in der Mitteilung:
„Untersuchungen haben gezeigt, dass die optimalen Strukturen eine baumähnliche Geometrie aufweisen.“
Stützstrukturen
Cenit erzeugt Stützstrukturen auf Basis von 3D-Simulationen, die von der TU Hamburg zuvor berechnet wurden. Durch die Verknüpfung von Simulation, generativem Design und algorithmischer Botanik wird dabei ein computergestütztes Tool entwickelt, das baumförmige Stützstrukturen für additiv gefertigte Bauteile generiert. Da hohe Eigenspannungen bei der additiven Verarbeitung entstehen können, verwenden die Forscher die Legierung Ti-6Al-4V, um die komplexen Titanbauteile herzustellen. Der Schmelzpunkt des Materials liegt bei über 1600 °C, was dazu führen kann, dass sich das Bauteil verformt.
Stützstrukturen müssen Wärme ableiten, Spannungen aufnehmen und geometrische Überhänge abstützen. Um das zu erreichen, nutzt das Forscherteam die Prinzipien des umgekehrten Wachstums.
Jochen Michael beschreibt die Funktionsweise des eigens entwickelten Tools:
„Der entwickelte Algorithmus lässt die baumgleiche Stützstruktur umgekehrt von der Krone bis zum Stamm wachsen.“
Zu den Ergebnissen des Projekts gehört das Tool zur Erstellung bioinspirierter Stützstrukturen. Damit gelingt die Entwicklung einer optimierten Stützkonzeption und die Erhöhung der Ressourceneffizienz der additiven Fertigung mit verkürzten Fertigungszeiten sowie geringerem Material- und Energieverbrauch.
