Laserschmelzen steigert Effizienz

Die additive Fertigung von Kunst­stoffen und der 3D-Druck von Metallen haben sich in vielen Branchen etabliert. Im neu eröff­neten 3D-Drucklabor Metall und Struktur­werkstoffe am Fraunhofer-Institut für Kurzzeit­dynamik, Ernst-Mach-Institut EMI, haben Forscher nun untersucht, wie ressourcen­effizient der Herstellungs­prozess ist, wenn Leichtbau­komponenten aus Aluminium additiv gefertigt werden. Das Ergebnis: Schon kleinere Einsparungen an Material und Ressourcen pro Bauteil bringen hohe Kosten­ersparnisse bei Serien­fertigungen mit sich.

Das 3D-Druck­labor Metall und Struktur­werkstoffe am Fraun­hofer-EMI in Freiburg beher­bergt einen der derzeit größten kommer­ziell verfüg­baren 3D-Drucker für Metalle. Im Forschungs­bereich ist die Anlage in dieser Größe ein Unikat. Per selektivem Laser­schmelzen (SLM) lassen sich hier metallische Struk­turen mit Abmes­sungen von bis zu vierzig Zentimetern additiv fertigen. Der 3D-Druck bietet völlig neue Möglich­keiten, Bauteile mit komple­xesten Form­gebungen zu gestalten und zugleich das Gewicht zu opti­mieren. Doch erst die Kombi­nation von additiver Fertigung und intelli­gentem Leicht­baudesign erlaubt eine maximal ressourcen­effiziente Produktion. So haben die Forscher im neuen 3D-Drucklabor etwa einen Radträger gefertigt, wie er beispiels­weise in einem Leichtbau­fahrzeug eingesetzt werden könnte. „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. Im Fokus standen die Kennwerte Strom- und Material­bedarf, Fertigungs­zeit und CO₂-Emissionen, die bei einer Kleinserien­produktion von zwölf Radträgern anfallen.

Nachdem die Forscher einen Design­entwurf mithilfe der nume­rischen Finite-Elemente-Methode simu­liert hatten, konstru­ierten sie den Radträger im Leich­baudesign. Das Resultat war ein Radträger, der auf die defi­nierten Last­szenarien ausgelegt ist. Aufgrund ihrer geome­trischen Kom­plexität lassen sich derart gefertigte Strukturen nicht konven­tionell herstellen – also etwa durch Fräsen oder Drehen. „Mit dem leichteren Modell konnten wir während der Fertigung enorm Ressourcen einsparen, da pro Bauteil weniger Material erzeugt werden muss“, so Hoschke. Mithilfe der numerisch opti­mierten Version des Radträgers wurden im Vergleich zum konven­tionellen Design 15 Prozent der für den additiven Prozess nötigen Energie gespart. Der Strombedarf betrug beim konven­tionellen Design zwölf Kilowatt­stunden, beim numerisch optimierten Design nur zehn Kilowatt­stunden. Die Fertigungs­zeit konnte um 14 Prozent sowie die CO₂-Emission um 19 Prozent reduziert werden. Mit 28 Prozent fiel die Einsparung beim Material noch deutlicher aus.

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, da man die Herstellungs­kosten senken kann“, erklärt Hoschke. Die Prognosen für diese Fertigung von Metallen auf die globale Produktion gehen aus­einander. Doch für viele Industrien wie die Luft- und Raumfahrt­technik, die Fahrzeug- und Medizin­technik sowie den Werkzeug­bau wird die Bedeutung zunehmen. „Unsere posi­tiven Ergeb­nisse in Bezug auf die Ressourcen­effizienz beim Herstellungs­prozess dürften dies untermauern“, sagt der Wissen­schaftler. Künftig wollen Hoschke und sein Team erforschen, inwiefern andere Bauhöhen, Serien­größen und Werkstoffe wie etwa Titan die Ressourcen­effizienz des Herstellungs­prozesses beein­flussen.

FhG / JOL