Additive-Fertigungvoxeljet Fusion 360: Formvollendet, schnell und ressourcenschonend
Technologien von voxeljet erleichtern der Bauindustrie notwendige Anpassungsprozesse an veränderte Rahmenbedingungen: Steigende Rohstoffpreise, fragile Lieferketten, wachsender Zeitdruck und maximale Rücksicht auf die Umwelt – auf den unterschiedlichsten Ebenen wird die Bauindustrie mit veränderten Rahmenbedingungen konfrontiert. Die Digitalisierung von Arbeitsabläufen schreitet zwar auch in dieser Branche voran, konzentriert sich bislang aber eher auf Planungs- und Verwaltungsaufgaben denn auf durchgängig datengetriebene Prozesse, vom Entwurf bis hin zum realen Bauelement. Fortschrittlicher 3D-Druck mit Technologien von voxeljet schafft die für zukunftsorientierte Architekturprojekte nötige Basis.
KI-unterstütztes Softwaredesign und 3D-Druck im Feingussverfahren verhelfen diesem Tischbein aus Bronze zu einer optimierten Stabilität, wie sie sonst nur eine Konstruktion aus massivem Material gewährleisten würde.
Die voxeljet Binder Jetting-Technologie: Anwendungsmöglichkeiten für die Innen- und Außenarchitektur
• Der PMMA-Prozess
Beim voxeljet PMMA-Prozess werden Kunststoffmodelle schichtweise nach digitalen CAD-Daten aufgebaut. Diese können als Feingussmodelle in Gießereien zu Gussteilen verarbeitet werden, um beispielsweise einzigartige Möbel oder Designprodukte herzustellen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit liegt in dem direkten, präzisen und detailgetreuen Ausdruck von Architekturmodellen zur Veranschaulichung von Entwürfen und für Präsentationszwecke.
• Der Sand-Prozess
Beim Sand-3D-Druck können Schalhäute oder ganze Schalungen für Betongussanwendungen unabhängig von ihrer Komplexität 3D-gedruckt werden. Die gedruckten Schalungselemente können für ideale Oberflächengüte und zum Widerstand gegen äußere Witterungseinflüsse auf Baustellen nachbearbeitet und optimiert werden und lassen sich bequem mit konventionellen Schalungssystemen kombinieren. Alternativ können auch Schalungselemente mit einer Größe von bis zu 4 x 2 x 1 Meter werkzeuglos und an einem Stück gedruckt werden. Anschließend lassen sich alle gängigen Betonarten wie bspw. UHCP verarbeiten.
An sich sind es nur einige Tischbeine. Die filigranen, miteinander verwobenen Strukturen könnten das Werk eines Designers sein, inspiriert von den Beobachtungen während eines Spaziergangs im Wald. Damit derart fragil wirkende Konstruktionen nicht unter der Last einer schweren Tischplatte einknicken, braucht es neben künstlerischem Geschick aber auch profunde Kenntnisse der Berechnung statischer Lasten.
Tatsächlich steckt hinter der Idee verästelt aufgebauter Tischbeine nicht der schöpferische Geist eines Menschen, sondern die KI-Funktionalität der Software Autodesk Fusion 360 in Verbindung mit leistungsstarker 3D-Drucktechnologie. Ausgangspunkt war die Überlegung, bei minimalem Materialeinsatz die strukturellen Kräfte der Tischplatte zuverlässig abzufangen. Als Werkstoff fiel die Wahl auf Bronze: Per 3D-Druck wurde aus den Entwurfsdaten zunächst ein Positivmodell aus Polymethylmethacrylat (kurz PMMA) hergestellt, in der Gießerei verwandelte sich der Rohling dann in eine den hochpräzisen Vorgaben entsprechende Keramikform. Und so filigran das Endprodukt auch wirken mag: In puncto Stabilität sind diese Tischbeine einer massiven Konstruktion absolut ebenbürtig. Den Unterschied macht ein erheblich reduzierter Materialaufwand dank KI-unterstützter Konstruktion und 3D-Modelldruck.
Per 3D-Druck zum Positivmodell aus Kunststoff: Mit einer Präzision bis zu 600 dpi werden 150 Mikrometer dünne Schichten aus Kunststoffpulver nach und nach aufeinandergedruckt und miteinander verklebt.
Filigranes Möbeldesign als Vorbild
Realisiert wurde das AI Table Project im Architectural Intelligence Research Lab (Airlab), einem Forschungslabor für Design an der Singapore University of Technology. Unter Leitung der Architektur-Professoren Carlos Bañón aus Spanien und Felix Raspall aus Argentinien widmet sich das Airlab der Frage, wie mit technologischer Unterstützung bei minimalem Rohstoffeinsatz leistungsfähige Konstruktionen realisiert werden können. Im Mittelpunkt stehen digitale Design- und Fertigungsmethoden wie Strukturoptimierung und 3D-Druck, mit deren Hilfe Bañón und Raspall den Gedanken der Nachhaltigkeit in der Welt der Architektur fest verankern wollen. Die mit Unterstützung von voxeljet entstandenen Tischbeine bilden dabei quasi die Blaupause für unterschiedlichste Konstruktions- und Bauvorhaben aller Art und Größe.
„3D-Druck bietet uns die Möglichkeit, aus digital optimierten Strukturen reale Produkte herzustellen“, erklärt Carlos Bañón. „Mit konventionellen Fertigungsprozessen wäre es unmöglich, anhand der von der Software generierten Werte hinsichtlich struktureller Optimierung, Gewichtsreduzierung und hoher Leistung ein real nutzbares Bauelement zu schaffen. Mit fortschrittlichen Technologien zum 3D-Druck ist das hingegen problemlos machbar.“ Und Felix Raspall ergänzt: „In der Architektur beginnt der Designprozess traditionell mit konzeptionellen Skizzen und führt dann hin zu einem hochtechnischen Projekt, an dessen Ende die Produktionsphase steht. Indem wir Algorithmen in die Entwurfsphase und 3D-Druck in die Fertigung einbeziehen, eröffnen wir der Kreativität mit neuen formalen und materiellen Spielräumen ganz andere gestalterische Dimensionen.“
Vom Modell zur Gussform: In der Gießerei werden die 3D-gedruckten Modelle aus Polymethylmethacrylat, kurz PMMA, mit Keramik ummantelt und anschließend ausgebrannt. Die übrigbleibende, hohle Keramikform bietet die optimale Basis für eine perfekt gestaltete Struktur.
Bei einem verfügbaren Bauraum von 1.000 x 500 x 600 mm kann die voxeljet VX1000 auf Basis des PMMA-Prozesses mit höchster Präzision Feinguss- oder Architekturmodelle herstellen, wie hier für das Projekt AI Table.
Nachhaltigkeit in der Welt der Architektur
Für den Architekten und Airlab-Mitbegründer Carlos Bañón steht fest: „Nachhaltigkeit ist die dringlichste Herausforderung dieses Jahrhunderts, und die Bauindustrie spielt dabei allein schon aufgrund ihrer Größe und der Lebensdauer der hervorgebrachten Produkte eine große und wichtige Rolle. „Bezogen auf den 3D-Druck als Alternative zu konventionellen Fertigungsverfahren, beziffern die Forscher die Potenziale zur Senkung des produktionsbedingten Energieverbrauchs auf 4 bis 21 Prozent, wobei die größten Effekte auf den erheblich verringerten Transportaufwand von Rohstoffen zurückzuführen wären. Damit nicht genug, sieht Felix Raspall mit dem 3D-Druck auch eine nie dagewesene Präzision in die Welt der Architektur einziehen: „Der 3D-Druck erfreut sich vor allem in Bereichen großer Beliebtheit, in denen es wie in der Medizintechnik oder der Raumfahrt um höchste Präzision auf der Ebene von Bruchteilen eines Millimeters geht. In der Architektur kommt es bislang eher selten auf solche Genauigkeiten an, in Zukunft könnten die im 3D-Druck erzielbaren Ergebnisse aber ungeahnte neue Entwürfe mit sich bringen.“
Im PMMA-Prozess hergestellte Modelle zeichnen sich durch hohe Präzision aus und ermöglichen die Anfertigung von Gussteilen mit guter Oberflächenqualität. Nicht benötigtes Druckmaterial kann zu 100 % wiederverwendet werden.
Vom gedruckten PMMA-Modell zum fertigen Produkt: Die renommierte Gießerei Strassacker wählte für den Abguss der Tischbeine als Material Bronze.
Und jetzt: größer denken!
Das AI Table Project ist ein Möbelprojekt. Und während die Beine aufgrund ihrer Größe für die meisten direkten Metall-3D-Druck-Technologien ungeeignet sind, kann die Bedeutung und das, wofür sie eigentlich stehen, sehr wohl skaliert werden: mehr Nachhaltigkeit in der Architektur. „Der AI Table hat ein funktionales Design, das in der Lage ist, die geforderten Lasten zu übertragen. Es ist eine Demonstration, dass Design, Optimierung und Fertigungstechnologien kreativ und funktional eingesetzt werden können“, erklärt Bañón. „Angesichts der aktuellen Trends, wie dem demografischen Wandel und der Ressourcenknappheit, brauchen wir kreative Lösungen, um die Herausforderungen der Zukunft zu meistern. Bei Airlab beschäftigen wir uns mit digitalen Technologien, um Entwürfe zu realisieren, bei denen der Materialeinsatz durch strukturelle Optimierung auf das Wesentliche reduziert wird. Und wenn man ein ganzes Gebäude betrachtet, gibt es viele Möglichkeiten, die herrschenden Paradigmen der Architektur in Frage zu stellen.“ Zum Beispiel haben 3D-gedruckte Schalungselemente für den Betonguss ihren Nutzen bereits auf verschiedenen Baustellen bewiesen. In traditionellen Gebäuden gehen fast 80 Prozent des verwendeten Materials auf das Konto von Deckenkonstruktionen. Durch die Kombination von KI-Software, 3D-Sanddruck und Betonguss könnte auch dieser Materialverbrauch sehr effektiv gesenkt werden. Es gibt viel Raum für Verbesserungen, und genau das ist das Ziel von Carlos Bañón und Felix Raspall. Nachdem die beiden Architekturprofessoren im Rahmen ihrer Arbeit bereits verschiedene 3D-Drucktechnologien ausprobiert hatten, kamen sie zum ersten Mal mit dem von voxeljet entwickelten Verfahren zur Herstellung von Feingussmodellen für das KI-Tisch-Projekt in Kontakt. Nun arbeiten sie bereits an ihrem nächsten Projekt, das wenig mit polierter Bronze, sondern eher mit massivem Betonguss zu tun hat.
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