7 Komplexe Designs im 3D-Druck

Durch die Designflexibilität, die der 3D-Druck heute bietet, können Ingenieure selbst die schwierigsten Ideen zum Leben erwecken.
 
Der 3D-Druck ist eine Technologie, mit der Formen und Merkmale erzeugt werden können, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht möglich sind. In diesem Artikel werden 7 Beispiele beeindruckender Designs vorgestellt, die nur mit 3D-Druck möglich sind.
 

1. Bugattis 3D-gedruckter Titan-Bremssattel

Ein 3D gedruckter Bremssattel [Bildnachweis: Bugatti]
Ein 3D gedruckter Bremssattel [Bildnachweis: Bugatti]

 
Anwendung: Automobilindustrie
 
Vorteile: Leicht und Kraftvoll
 
Der französische Autohersteller Bugatti nutzte die Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks für seinen neuesten Chiron-Supersportwagen und produzierte den angeblich leistungsstärksten Bremssattel der Welt – 3D Druck aus Titan.
 
Während der Bremssattel wie ein normaler Bremssattel funktioniert, bedeutet die Kombination aus 3D-Druck und Titan, dass er viel stärker und ungefähr 40% leichter ist als das derzeit verwendete Aluminiumteil.
 
Mithilfe eines 3D-Metalldruckverfahrens namens Selective Laser Melting konnte das Bugatti-Team mit einer Vielzahl von Geometrien und Wandstärken experimentieren, die mit herkömmlichen Herstellungstechniken nicht erreichbar waren.
 
Das Ergebnis: ein kompliziert geformter Bremssattel mit Wandstärken zwischen 1 mm und 4 mm.
 
Ende 2018 testete Bugatti den Bremssattel erfolgreich unter hohen Belastungen, und nun bereitet sich das Unternehmen darauf vor, das Bauteil in Produktion zu nehmen.
 
Bugatti ist jedoch nicht das einzige Unternehmen, das das Design von Bremssätteln revolutioniert hat. Das britische Automobiltechnikunternehmen Carbon Performance nutzt den 3D-Druck ebenfalls, um „nachhaltige Designs“ für 3D-gedruckte Autoteile, einschließlich Bremssättel zu generieren.
 
Um dies zu erreichen, nutzt Carbon Performance seine neue, AI-gestützte Softwareplattform. Die Plattform hilft bei der Entwicklung von Komponenten, die zum Beispiel die Kraftstoffeffizienz eines Autos verbessern können.
 
Mit seiner Konstruktionssoftware und dem 3D-Druck ist Carbon Performance in der Lage, Bremssättel herzustellen, die teilweise auch dank ihres geringeren Gewichts robuster und umweltfreundlicher sind. Leichtmetallteile im 3D-Druck herstellen zu können, bedeutet weniger Materialbedarf und weniger Materialverschwendung im Produktionsprozess als bei der subtraktiven Fertigung.
 
Leichtbau ist einer der Hauptvorteile des 3D-Drucks. Da der Trend zu elektrischen und immer effizienteren Fahrzeugen weiterhin zunimmt, werden sich immer mehr Autohersteller mit dem 3D-Druck befassen, um leistungsfähigere und leichtere Fahrzeugkomponenten zu entwickeln.
 

2. Die generativ gestaltete Sitzhalterung von General Motors

[Bildnachweis: General Motors]
[Bildnachweis: General Motors]

 
Anwendung: Automobilindustrie
 
Vorteil: Erhebliche Gewichtseinsparungen
 
General Motors (GM) hat kürzlich eine 3D-gedruckte Version einer vorhandenen Sitzhalterung mittels generativer Designtools erstellt.
 
Generative Design-Software verwendet fortschrittliche Algorithmen, um automatisch mehrere Design-Varianten basierend auf bestimmten Parametern wie Gewicht, Material, Größe, Festigkeit und Fertigungsmethoden zu generieren. Die nachfolgenden Entwürfe zeichnen sich durch komplexe, organische Formen aus, die oft nur mit Hilfe des 3D-Drucks zum Leben erweckt werden können.
 
Dies genau war der Fall bei GMs Sitzhalterung. Mit der generativen Konstruktionssoftware Fusion 360 von Autodesk wurden 150 Konstruktionsiterationen erstellt. Anschließend wählte GM das Design aus, das den besten Kompromiss zwischen Gewicht, Leistung und Herstellbarkeit bot.
 
Das endgültige Design ähnelt der ursprünglichen Halterung kaum noch. Die neue Sitzhalterung ist durch den 3D-Metalldruck 40% leichter und 20% stärker als das Original. Es wurde im Gegensatz zum Originalteil, das aus 8 Einzelteilen zusammengebaut werden muss, auch als eine Komponente hergestellt.
 
Die Fähigkeit des 3D-Drucks, komplexe Teile schneller und flexibler zu erstellen, macht die Technologie zu einer natürlichen Wahl für die Herstellung des neu zu gestalteten Bauteils. Der in diesem Beispiel gezeigte Vorteil ist die Teilekonsolidierung – die Möglichkeit, mehrere Teile als eine Komponente zu drucken und dadurch Montagezeiten und Kosten zu reduzieren.
 
Obwohl die Sitzhalterung von GM ein Proof-of-Concept bleibt, sieht das Unternehmen großes Potenzial in der Kombination von 3D-Druck und generativer Konstruktionssoftware. Beide Technologien werden sicherlich eine Schlüsselrolle in der Zukunft des Fahrzeugbaus spielen, da sie ein schnelleres Design und eine schnellere Produktentwicklung sowie die Herstellung komplexer Automobilteile ermöglichen.
 

3. Altairs topologisch optimiertes Hüftimplantat

[Bildnachweis: Altair]
[Bildnachweis: Altair]

 
Anwendung: Medizintechnik
 
Vorteil: Materialoptimierung
 
Die Topologie Optimierung ist eine generative Konstruktionstechnik, mit der Konstrukteure erweiterte Algorithmen anwenden können, um die Geometrie eines Teils zu optimieren. Mithilfe der Technologie kann die Materialverteilung eines Teils optimiert werden, um unnötiges Material aus der Konstruktion zu entfernen.
 
Ein Unternehmen, das die Topologie Optimierung nutzt, ist das IT-Unternehmen Altair, das den 3D-Druck mit Topologie Optimierung kombiniert, um ein verbessertes Hüftstammimplantat zu erstellen.
 
Der 3D-Druck bietet eine Reihe von Vorteilen für Hüftimplantate, einschließlich der Möglichkeit, ein Implantat an die spezifischen Belastungen anzupassen, die es tragen muss. Die Topologieoptimierungssoftware erleichtert dies, indem sie es den Ingenieuren ermöglicht, die verschiedenen Belastungsfälle zu berücksichtigen, die ein Hüftimplantat während seines Lebenszyklus erleben kann.
 
Durch die Eingabe von Parametern wie Lastfällen und Konstruktionsbeschränkungen optimiert die Software die Materialverteilung innerhalb eines definierten Materialvolumens. Dieser Prozess führt zu einem Design, das zeigt, wo Material entfernt werden kann, um das leistungsfähigste Hüftimplantat zu erhalten.
 
Das Altair-Team verwendete diesen Ansatz, um die festen und halbdichten Bereiche des Implantats zu bestimmen, bevor die halbdichten Bereiche mit Gitterstrukturen gefüllt wurden, um das Implantat leichter zu machen.
 
Im Vergleich zu einem intakten Oberschenkelknochen oder einem Oberschenkelknochen mit einem handelsüblichen Implantat hat das Team festgestellt, dass das neue Design dazu beiträgt, die Haltbarkeitsgrenze auf etwa 10 Millionen Zyklen zu erhöhen. Dies bedeutet, dass das Hüftimplantat zweimal von Los Angeles nach New York und zurück “joggen” müsste.
 
Das neue Design trägt auch dazu bei, die Abschirmung von Stress um 57% zu reduzieren. Stressabschirmung bezieht sich auf die Verringerung der Knochendichte, die durch das Einsetzen eines Titanimplantats in einen Patienten verursacht wird und letztendlich zu Brüchen und Luxationen führen kann. Aus diesem Grund ist es entscheidend, ein Implantat so nah wie möglich am ursprünglichen Knochengewebe zu konstruieren, um die Stressabschirmung zu verringern und diese unerwünschten Effekte zu eliminieren.
 
Der Einsatz von 3D-Druck als Fertigungstechnologie ist die einzige Möglichkeit, solche Designs zum Leben zu erwecken. Es ermöglicht nicht nur die komplexeren Formen wie Gitter, sondern kann diese auch kostengünstiger als herkömmliche Verfahren herstellen.
 
Topologisch optimierte 3D-gedruckte Implantate halten bereits Einzug in die Praxis. Es wird einige Zeit dauern, bis die Gesundheitsbehörden neue Standardisierungsmethoden für diese neuen Implantat Designs entwickelt haben. Mit Blick auf die Zukunft ist jedoch klar, dass der 3D-Druck zu einer Schlüsseltechnologie für die Herstellung besser sitzender, langlebiger und leistungsfähigerer Hüftimplantate für einen bestimmten Patienten wird.
 

4. MX3Ds 3D gedruckte Fußgängerbrücke

[Bildnachweis: MX3D]
[Bildnachweis: MX3D]

 
Anwendung: Bauwirtschaft
 
Vorteil: Innovatives Design
 
Die auf der Holländischen Design Woche 2018 vorgestellte 3D-Fußgängerbrücke aus Edelstahl von MX3D ist eines der aufregendsten Designprojekte im 3D-Druckbereich.
 
Durch das Anbringen von Schweißgeräten an Roboterarmen konnte das MX3D-Team eine 12 Meter lange Brücke in 3D drucken und so ein einzigartiges Aussehen und eine einzigartige Form erzielen. Zum Beispiel ist das Design der Brücke organisch und stoffartig, mit vielen Kurven und komplizierten Merkmalen. Die Oberfläche der Brücke wurde nicht geglättet, sodass die Schichten des abgelagerten Stahls sichtbar sind, die der Brücke ein raues, ungewöhnliches Finish verleihen.
 
Interessanterweise war der 3D-Druck nicht die einzige Spitzentechnologie, die für dieses Projekt verwendet wurde. Um sowohl die Sicherheit als auch die optimale Leistung der Brücke zu gewährleisten, ist die 3D-gedruckte Stahlkonstruktion mit einem Netzwerk von Sensoren ausgestattet, die den Zustand der Brücke überwachen, die Anzahl der Personen aufzeichnen, die über die Brücke laufen, und unter anderem die Gewichtsverteilung und Luftqualität messen
 
Die Ausführung des gesamten Projekts dauerte fast vier Jahre. Jetzt soll die fertige Brücke noch in diesem Jahr in Amsterdam installiert werden.
 

5. GE Research entwickelt einen lungeninspirierten Wärmeaustauscher

[Bildnachweis: GE]
[Bildnachweis: GE]

 
Anwendung: Energiesektor
 
Vorteil: Erhöhte Leistung
 
GE Research entwickelt einen ultraeffizienten, emissionsarmen Wärmeaustauscher für Stromerzeugungsanlagen wie Gasturbinen. Um dies zu erreichen, entwickelte das Team überraschenderweise ein besonders innovatives Design, das von der menschlichen Lunge inspiriert war.
 
Die menschliche Lunge ist einer der effizientesten und kompaktesten Wärmeaustauscher. Das Organ übt seine Wärmeaustauschfunktion mit einem Netzwerk von Kapillaren aus, die den Blutfluss in kleine Ströme aufteilen. Dieses Netzwerk erwärmt die kühlere Luft, die wir einatmen, und reguliert gleichzeitig die Körpertemperatur.
 
Der Wärmeaustauscher von GE arbeitet auf ähnliche Art und Weise, jedoch bei viel höheren Temperaturen und Druck. Die Komponente verfügt über ein Dreifachnetz von Kanälen, die heiße Luft aus einer Gasturbine entnehmen. Dieses Netzwerk ist mit einem anderen Netzwerk von Kanälen verflochten, die mit kälterer Arbeitsflüssigkeit gefüllt sind, das in die entgegengesetzte Richtung läuft. Die heiße Luft und die kühle Flüssigkeit vermischen sich nicht miteinander, aber aufgrund ihrer Nähe kann die heiße Luft abgekühlt werden, wodurch der Wärmewirkungsgrad einer Gasturbine verbessert wird.
 
Entscheidend war, dass der 3D-Druck die einzige Technologie war, mit der ein derart komplexes Design hergestellt werden konnte.
 
Sobald der Entwicklungsprozess abgeschlossen ist, kann GE einen Wärmetauscher in 3D drucken, der bei 250 ° C (450 ° F) über den heutigen Wärmetauschern wirtschaftlich betrieben werden kann. Mit einer deutlich erhöhten Betriebstemperatur repräsentiert das 3D-gedruckte Bauteil eine neue Generation von Hochleistungswärmeaustauschern.
 

6. BMWs leichte Dachhalterung

Eine Weiterentwicklung des Designs einer 3D-gedruckten Dachhalterung [Bildnachweis: BMW]
Eine Weiterentwicklung des Designs einer 3D-gedruckten Dachhalterung [Bildnachweis: BMW]

 
Anwendung: Automobilindustrie
 
Vorteil: Gewichtseinsparung
 
Im Jahr 2018 präsentierte BMW seinen legendären i8 Roadster mit einem preisgekrönten Metalldachhalter aus 3D-Druck.
 
Die Dachhalterung, eine kleine Komponente, die beim Öffnen und Schließen des Fahrzeugdaches hilft, erforderte ein neues Design, um die Leistung des Dachklappmechanismus zu maximieren. Um dieses Ziel zu erreichen, setzten die Ingenieure von BMW auf Software zur Topologie Optimierung.
 
Mithilfe dieser Software konnten die Ingenieure Parameter wie das Gewicht, die Größe des Bauteils und die Belastung eingeben. Die Software erstellte dann ein Design, das die Materialverteilung des Teils optimierte.
 
Das vom Engineering-Team erzielte Design war nicht zu gießen. Das Team stellte fest, dass der einzige Weg, um dieses Design zu ermöglichen, der Metall-3D-Druck war.
 
Dank der SLM-Technologie (Selective Laser Melting) haben die Ingenieure eine Metalldachhalterung geschaffen, die zehnmal steifer und 44% leichter als die herkömmliche Alternative ist.
 
Das Teil, das jetzt in kleinen Serien hergestellt wird, zeigt ein enormes Gewichtspotenzial für die Fahrzeugkonstruktion, wenn es mit den Möglichkeiten der Topologie Optimierung kombiniert wird.
 

7. KW Micro Power und VELO3D entwickeln gemeinsam eine Mikroturbinenkomponente

Komplexe Elemente in der Titanscheibe [Bildnachweis: KW Micro Power]
Komplexe Elemente in der Titanscheibe [Bildnachweis: KW Micro Power]

 
Anwendung: Energie Industrie
 
Vorteil: Komplexe interne Funktionen
 
Das Ingenieurbüro KW Micro Power arbeitet seit einigen Jahren an der Konstruktion eines Mikroturbinengenerators, stieß jedoch bei der Umsetzung für die Produktion auf erhebliche Schwierigkeiten. Eine zentrale Herausforderung bestand in der Herstellung einer der Komponenten des Geräts.
 
Bei der fraglichen Komponente handelt es sich um eine Titanscheibe mit komplexen internen Kanälen, mit deren Hilfe Abgase effizienter gehandhabt werden können. Beim 3D-Druck in Metall benötigt dieses Bauteil Stützstrukturen, um ein Herabhängen oder Verziehen während des Druckvorgangs zu verhindern.
 
Die Komplexität der internen Merkmale des Bauteils machte es jedoch unmöglich, die Träger nach der Herstellung zu entfernen.
 
Um diese Herausforderung zu meistern, arbeitete das Unternehmen mit VELO3D zusammen, einem Hersteller von 3D-Druckern, der seine proprietäre Metall-3D-Drucktechnologie Intelligent Fusion entwickelt hat. Diese Technologie ermöglicht es dem VELO3D Sapphire 3D-Drucker, Teile mit minimalen Stützstrukturen und reduzierten Restspannungen zu drucken, die häufig die Ursache für Verwerfungen sind.
 
Dies wird durch einen patentierten berührungslosen Überlackierer erreicht, der verwendet wird, um eine frische Pulverschicht zu liefern, die mit einem Laser geschmolzen und verschmolzen werden soll. Wenn beim Metall-3D-Druck auf Pulverbasis das Pulver auf eine andere Schicht aufgetragen wird, kann ein Beschichter das Teil entfernen, wenn es nicht auf einer Bauplatte befestigt ist.
 
Beim Saphir-System von VELO3D hat die Nachbeschichtungsklinge keinen Kontakt mit dem Pulverbett. Sobald das Pulver abgelagert ist, werden ein Abstreifblatt und ein Vakuumverfahren auf die Oberseite des Pulvers angewendet, um sicherzustellen, dass es absolut eben ist.
 
Wenn ein Beschichter die vorherige Pulverschicht nicht berührt, muss ein Teil nicht auf einer Metallbauplatte verankert werden. In der Zwischenzeit ermöglichen die Simulation und ein Regelungssystem, das den Drucker mit Strom versorgt, das Drucken komplexer interner Merkmale ohne Stützen.
 
Um die volle Leistung des Sapphire 3D-Druckers nutzen zu können, half das VELO3D Team KW Micro Power, das Design der Generatorkomponente weiter zu verbessern. Das fertige Teil ist 37% leichter als das ursprüngliche Design und soll dank reduzierter Beanspruchungen eine bessere Leistung bringen. Noch wichtiger ist jedoch, dass das Design, das zuvor als nicht herstellbar galt, dank einer neuen Generation von Metall-3D-Drucktechnologien möglich wurde.
 

Die komplexesten Ideen zum Leben erwecken

Der 3D-Druck bietet eine enorme Designflexibilität, mit der Designer und Ingenieure mit neuen Formen und Features experimentieren können, darunter topologisch optimierte Formen, Gitterstrukturen und leichte Designs.
 
Dank der Vielzahl der Möglichkeiten, die der 3D-Druck bietet, können Hersteller innovative Produkte mit optimierten und kundenspezifischen Designs herstellen, die mit einer herkömmlichen Fertigung nicht möglich wären.
 
Um dieses Potenzial auszuschöpfen, müssen jedoch die Designprinzipien befolgt werden, die nur für die additive Fertigung gelten. Nur wenn Unternehmen die Möglichkeiten und Grenzen des 3D-Drucks kennen und erkennen, können sie mit dieser Technologie ihre kreativsten Ideen verwirklichen.