Perspektiven additiven Designs

Die SLM Variante erinnert an verzweigte Baumwurzeln und Äste und wurde mit Hilfe von bionischen Designalgorithmen in Aluminium umgesetzt.

Jeder Tisch steht dabei exemplarisch für ein bestimmtes Verfahren. Die Größe, die außergewöhnliche Formgebung sowie die Vielfalt der Designs sollten für Aufmerksamkeit sorgen, mit dem Ziel, Messebesucher für die Serviceleistungen des Unternehmens zu interessieren. Darüber hinaus sollten die Stehtische eine praktische Nutzung erlauben, als legerer Treffpunkt, für den Kundenkontakt und als Ablage für Notebooks, Snacks u. ä, so dass auch die Funktion eines Stehtischs gewährleistet sein musste.

Die spezifizierten Anforderungen an das Objekt „FIT-Stehtisch“ waren ganz klassisch eine runde Standfläche, ein mittiger Standfuß mit einer Höhe von 110 cm und eine runde Glasplatte mit einem Durchmesser von 50 cm. Die verschiedenen 3D-gedruckten Ausführungen des Standfußes mussten jeweils einer Belastung von 100 kg standhalten. Limitierende Faktoren für die Produktion waren der Zeitdruck für das Durchlaufen der gesamten Prozesskette von der Konstruktion bis zur Fertigung einschließlich Nachbearbeitung und Veredelung sowie die Kostenkontrolle bei der Herstellung der Unikate. Die zum Einsatz kommenden Technologien, Materialien und Designverfahren sind hinsichtlich der rahmengebenden Spezifikation, einander wechselseitig beeinflussende Faktoren, so dass die finalen Designs höchst unterschiedlich ausgefallen sind. Die Besonderheiten und Herausforderungen eines jeden Tischprojekts werden im Folgenden im Vergleich gezeigt.

Das Projekt FIT-Stehtisch im Rampenlicht: v.l.n.r. sind folgende Verfahrensbeispiele zu sehen: SLS, Robotic-FDM, SLM, GDP, WAAM, SCA und SLA

Selektives Laserschmelzen

Laserschmelzen ist eines der klassischen additiven Metallverfahren im Pulverbett. Es zeichnet sich durch eine hohe Geometriefreiheit, gute Auflösung und eine sehr hohe Materialstabilität bei geringem Materialeinsatz aus; ein gewisser Nachteil ist der Nachbearbeitungsaufwand aufgrund der anfallenden Supportentfernung. Der bionisch inspirierte Designentwurf erinnert an einen Baum mit Wurzelwerk und einer filigranen Baumkrone, die die Tischplatte trägt. Umgesetzt wurde das Design mit Aluminium. Für das Design des Stehtisches wurde Computational Engineering eingesetzt, bei dem bionische Designalgorithmen zum Einsatz kommen und in Echtzeit auf Basis von verschiedenen Ausgangsparametern hunderte von unterschiedlichen Endgeometrien generieren. Ein Wachstumsalgorithmus errechnet die Zahl und Anordnung der Endknoten und ihre bionisch wachsenden Verbindungen. Die technischen Stabilitätsanforderungen an Wandstärke und Rohrquerschnitt werden automatisch eingerechnet (Sizing), auch fertigungsrelevante Restriktionen wie der Supportentfernungsaufwand werden vom Algorithmus berücksichtigt.

Beim Lichtbogenauftragsschweißen Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) wird kein Metallpulver verwendet, sondern ein Schweißdraht wird Schicht für Schicht zu dreidimensionalen Körpern zusammengeschweißt.

Wire Arc Additive Manufacturing

Beim Lichtbogenaufschweißen Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) wird kein Metallpulver verwendet, sondern ein Schweißdraht wird in Schichten zu dreidimensionalen Körpern zusammengeschweißt. Die Vorteile gegenüber den pulverbettbasierten Verfahren liegen in hohen Bauraten von bis zu 600 cm³/h, einer großen Vielzahl an schweißbaren Drahtmaterialien und guten Dichte- und Festigkeitswerten. Die Schweißraupe erlaubt verfahrensspezifisch nur eine konturnahe Form, so dass für Stellen mit Präzisionsbedarf eine Nachbearbeitung durch Überfräsen erforderlich wird. Zur Erzeugung des Designs wurde für den WAAM-Stehtisch der Algorithmus des Tube Reinforcement genutzt, denn das Aussteifen von Rohren auf Lastfälle, aber auch zur Reparatur verschleißanfälliger Innenwände, ist eine der Hauptanwendungen von WAAM. Dazu wird ein biologischer Algorithmus aus der Natur designerisch optimiert. Je nach Anwendung kann der Prozess feinjustiert werden, indem entweder der Schweißbrenner oder die Bauplattform computergesteuert bewegt werden.

Die Stehtischfertigung im SLS-Verfahren erlaubt eine hohe Geometriefreiheit ohne dem Nachbearbeitungsaufwand der Supportentfernung.

Selektives Lasersintern

Das Selektive Lasersintern (SLS) ist eines der wichtigsten Pulverbettverfahren mit Kunststoff und erlaubt eine hohe Geometriefreiheit mit komplexen Strukturen, aber ohne den Nachbearbeitungsaufwand der Supportentfernung. Der Nachteil liegt in der Größenbegrenzung aufgrund heutiger Bauraumvolumen. Um den geometrisch komplexen Standfuß in der benötigten Höhe zu realisieren, mussten 60 einzelne Teile gefertigt und nach einem genauen Plan zusammengeschweißt werden. Das verwendete Material ist PA12. Die Oberflächen blieben ungefinisht, um die Fügetechnik anhand der kleinen schwarzen Nummern zur Definition der Anschlussstellen wie bei 3D-Puzzles zu demonstrieren. Die komplexe, dreidimensionale Rosettenstruktur und –ornamentik wurde mittels Penrose Mapping aus regelmäßigen Rautenelementen in Rotations- und Spiegelsymmetrien generiert. Jedes Einzelteil ist dabei eine Variante einer Grundform. Daher liegt die Bedeutung des Tisches in einer Demonstration des Customized Volume Manufacturing, also der individualisierten Massenfertigung, bei der gleiche Geometrien in immer neuen Variationen werkzeuglos in Serie hergestellt werden.

Das harzbasierte 3D-Druckverfahren SLA zeichnet sich durch eine hohe Auflösung und exzellente Oberflächen aus.

Stereolithografie

Die Stereolithografie (SLA) ist ein harzbasiertes 3D-Druckverfahren, das sich durch eine hohe Auflösung und exzellente Oberflächen auszeichnet. Für den SLA-Stehtisch wurde das transparente Kunststoffmaterial Accura ClearVue verwendet, um die ornamentale Gittergeometrie leicht und elegant wirken zu lassen. Die komplexe Struktur wurde mit Box-Morphing generiert, das eine leistungsfähige Alternative zum CAD-Ansatz der Geometrieanpassung ist. Dabei wird die Außengeometrie vorgegeben, eine Designgrundform wird in eine Box als Rahmen gepackt, die Boxen werden auf die Gesamtform des Tisches gemorpht und die Geometrie in die „verzerrte“ Box gemappt. Dies erlaubt sehr komplexe Geometrien, die aber gut zu handhaben sind. Der Datensatz für den Tisch weist eine extrem hohe Auflösung auf, die nur durch die Expertenalgorithmen erreicht und verarbeitet werden kann.

Gel Dispensing Printing

Das Gel Dispensing Printing (GDP) arbeitet mit einem speziellen hochviskosen Gel, das durch UV-Licht ausgehärtet wird. Das Verfahren ist ideal für hohle Objekte bis 1,80 m Höhe. Die Baurate liegt bei 0,33 m/h in der z-Achse, so dass die gesamte Bauzeit nur rund zwei Stunden betrug. Es wurde nur eine 2 mm dünne Haut gedruckt, die Innenhöhlung zur Stabilisierung mit Schaum ausgefüllt. In einer umfangreichen Nachbearbeitung wurde der Rohkörper schließlich mit einer hochwertigen Bronzebeschichtung veredelt, so dass der Tisch die Optik und Haptik von Bronze hat, wetterbeständig ist und auch wie Bronze altert, im Vergleich zu Bronzeguss aber bedeutend günstiger ist. Die Besonderheit im Design liegt in der Overhang Evaluation, denn der ganze Körper besteht konisch aus nach oben immer größer werdenden Bubble-Motiven. Der schließende Deckel setzt, komplett ohne Supports gebaut, nahezu in einem 90°-Winkel auf.

Robotic-FDM

Ein interessantes und innovatives Forschungsgebiet der FIT ist Robotic FDM (Fused Deposition Modeling), bei dem der Materialauftrag aus einem Roboterarm erfolgt, ganz nach dem Beispiel der Filamentextrusion beim FDM-Verfahren. Dieses Verfahren unterliegt keiner bauraumbedingten Größenbeschränkung, sondern hängt vom Aktionsradius des Roboterarms ab. Der damit gefertigte Stehtisch wurde im plakativen Lollypop-Style aus zwei verschiedenen Materialien aufgebaut. In einem sanften Übergang findet ein Materialwechsel von ABS Glasfaser zu Polycarbonat statt, zur besseren Erkennbarkeit sind die Materialien farblich voneinander abgehoben. „Multimaterial Manufacturing“ bedeutet eine erhebliche technische Herausforderung, da jeder der High-Strength-Kunststoffe eine Anpassung der Verarbeitungseigenschaften erfordert, beispielsweise eine Justierung der Temperaturen und Aufbauraten je nach Material. Bei der Konstruktion wurde das effiziente Verfahren des Design Layer Tweening eingesetzt. Drei Schlüssellayer – Boden, Mitte und oberer Rand – wurden definiert und alle anderen Layer davon ausgehend zu einer flüssig wirkenden Geometrie automatisch aufgebaut, unter Berücksichtigung der speziellen Fertigungsparameter.

Selective Cement Activation

Ein weiteres neues und zukunftsträchtiges Verfahren zeigt FIT mit dem Selective Cement Activation (SCA), das mit dem echten Baustoff Beton als Grundmaterial arbeitet. Stilistische Kennzeichen sind die rohe Oberfläche und grobe Optik, verfahrensspezifisch die hohe Aufbaurate und Größe sowie ökonomisch natürlich der Kostenfaktor: Von allen gefertigten Stehtischen ist der gedruckte Betontisch mit Abstand der günstigste. Die verwendete Designmethode ist Discrete Element Self-Assembly. Dazu wurde vorher ein Prisma als diskretes Element mit ungewöhnlichen und unregelmäßigen Winkeln entwickelt, die (absichtlich) nie eine homogene Gesamtform entstehen lassen. Nach einer genau definierten Anschlusslogik darf die gesamte vorgegebene Fläche vollautomatisch besiedelt werden. Interessant ist, dass hier KI zum Tragen kommt, denn der Algorithmus ist self-assembly aware, d. h. er analysiert seine Ergebnisse und optimiert seine Performanz selbstständig.

Automatisierte Konstruktionslösungen unterstützen Designer

Im Zuge der allgegenwärtigen Digitalisierung verändert der Einsatz automatisierter Konstruktionslösungen den Designprozess technischer Produkte. Ingenieure müssen nicht mehr von Hand konstruieren, sondern definieren auf Grundlage der vorgesehenen Anforderungen die nötigen Parameter für die Anwendung und die geeignete Software generiert dann ein entsprechendes druckfähiges Datenmodell. Damit vereinfacht und beschleunigt Computational Engineering den Designprozess, macht die Entwicklung effizienter und gestattet parameterabhängig individuelle Ergebnisse. Im Co-Design arbeiten Designer und Ingenieure zusammen, um innovative Konstruktionsalgorithmen zu entwickeln und damit dem additiven Design der Zukunft Tür und Tor zu öffnen.