Warum ist das Knocheninnere so aufgebaut, wie es ist? Warum wächst jeder Baum unterschiedlich, und warum ist jeder Stamm anders? Im Verlauf von Milliarden von Jahren ist die Natur zu einer wahren Meisterin geworden, wenn es darum geht, ressourceneffiziente und maximal funktionale Überlebenskonzepte zu entwickeln. Die innere schwamm- bzw. lamellenartige Struktur des Knochengewebes versteift die äußere Struktur erheblich und stabilisiert den Knochen. Das Wachstum von Bäumen wiederum ist strömungsoptimiert, sprich: an die Kräfte, die auf den Baumstamm wirken, angepasst.

Im Wissenschaftsfeld der Bionik und des Leichtbaus versucht die Technik, immer mehr dieser natürlichen Phänomene auf technische Bauteile und Anwendungen zu übertragen. Bei den Leichtbautechnologien spielt die Topologieoptimierung eine große Rolle. Damit gemeint ist die Optimierung eines Bauteiles hinsichtlich seiner Funktionalität, seines Gewichtes oder seiner Leistung und Effizienz. Da sich solche Konstruktionskonzepte häufig in sehr komplexen Strukturen und Geometrien widerspiegeln, fehlte es bislang an Möglichkeiten, solche Bauteilgeometrien möglichst einfach und kostenwirtschaftlich herzustellen. Hier verspricht die additive Fertigung nun Abhilfe.

Was bedeutet Topologieoptimierung?

Bei der topologischen Optimierung von Bauteilen handelt es sich um ein softwaregestütztes Verfahren, bei dem Belastungs- und Wirkungskräfte, die auf ein Bauteil einwirken, analysiert werden. Vor der algorithmischen Analyse definiert ein Ingenieur die Gesichtspunkte und Aufgaben, anhand derer ein Bauteil zu untersuchen ist. Beispiele sind: mechanische Belastungskräfte, thermische Spannungen oder die Resonanz, die Schwingfähigkeit eines Bauteiles. Die Software generiert anhand der Datenlage designspezifische Bauteilgeometrien, die an die entsprechenden Belastungen angepasst sind. Bei dem so konzipierten und designten Bauteil wird ausschließlich dort Material eingetragen, wo es auch zwingend benötigt wird, damit es seine Aufgaben bestmöglich erfüllen und einen optimalen Wirkungs- und Effizienzgrad erreichen kann.

Oftmals sind solche topologieoptimierten Geometrien von besonders komplexen Strukturen geprägt. Das bedeutet, dass sie sich mittels konventioneller Fertigungsmethoden wie dem Fräsen oder Drehen – wenn überhaupt – nur unter enormem Aufwand herstellen lassen. Aus diesem Grund sind Topologieoptimierung und additive Fertigung oder 3D-Druck eine perfekte Kombination. Denn der 3D-Druck arbeitet ohne geometrische Grenzen und ist damit eine der wenigen Technologien, die sich hervorragend für die Herstellung topologieoptimierter Bauteile eignen.

Wie funktioniert Topologieoptimierung im Zusammenhang mit 3D-Druck?

Mittels additiver Fertigung oder 3D-Druck lassen sich Bauteile, die topologieoptimierte und damit hochkomplexe Strukturen und Designs aufweisen, in verschiedensten Materialien herstellen. So ist es bspw. möglich, Bauteile direkt in Metall oder Kunststoff zu drucken oder über indirekte Verfahren wie den 3D-Druck Sandformen für den Metallguss herzustellen.

Für die additive Fertigung braucht es lediglich eine digitale CAD-Datei. Diese wird von den meisten additiven Fertigungsverfahren schichtbasiert aus Pulvermaterialien aufgebaut. Zum Einsatz kommen dabei Laser, Druckköpfe oder Schmelzdüsen. Je nach Verfahren können jedoch aufwändige Nachbearbeitungs- und Zertifizierungsprozesse den breiten Einsatz topologieoptimierter Bauteile einschränken. Über den 3D-Druck von Sandformen für den Metallguss lassen sich jedoch Geometrien von gleichwertiger Komplexität realisieren. Da der Guss ein bereits zertifiziertes Herstellungsverfahren ist, eignet er sich hervorragend für die Umsetzung solcher Optimierungsprojekte.

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Welche Vorteile hat die Topologieoptimierung für Leichtbau und Bionik?

Die Bionik bezeichnet ein interdisziplinäres Wissenschaftsfeld, das sich vorwiegend damit beschäftigt, die in der Natur auftretenden konstruktiven Phänomene in die menschengemachte Technik zu übertragen. Dabei muss es nicht immer um lastengerechte Pfade oder Wirkungsströmungen gehen. Typische Beispiele der Bionik sind der Lotosblüteneffekt oder der Klettverschluss. Die Struktur und Oberflächenbeschaffenheit der Lotusblüte sorgt dafür, dass diese stark flüssigkeitsabweisend ist. Industrielle Anwendung findet dieser Effekt bspw. bei der Fassadengestaltung oder bei Bootsrümpfen. Der Klettverschluss stammt, wie der Name schon sagt, vom Prinzip der Klette ab und findet sich heute nicht nur an Schuhen, sondern überall im Alltag.

Geht es innerhalb der Bionik und Konstruktion darum, die Gestaltung eines Bauteiles hinsichtlich seines Materialverbrauches und seiner Funktion zu optimieren, spricht man vom sogenannten Leichtbau. Die Ergebnisse solcher Bionik- oder Leichtbauprojekte erinnern mit den generierten Strukturen und Designs häufig an bionische Strukturen, das heißt, sie sind den Bauplänen eines natürlichen Phänomens ähnlich.

Wie setzt voxeljet die Topologieoptimierung um?

Wir setzen beim Thema Topologieoptimierung auf unsere hochproduktive Binder-Jetting-Technologie, bei der wir aus Sand oder Kunststoff Formen und Modelle für den Sand- und Feinguss fertigen. Dabei verkleben wir Schicht für Schicht feine Sande und Kunststoffe, um die gewünschten Geometrien entweder als Negativform oder als Positivmodell herzustellen. Die gedruckten Formen können anschließend in die bestehenden Gussprozesse in der Gießerei integriert werden.

Der 3D-Druck von Sand hat den Vorteil, dass sich damit auch Bauteilgrößen von bis zu 4 x 2 x 1 Meter realisieren lassen. Der Kunststoff-3D-Druck eignet sich besonders dann, wenn hochfiligrane und präzise Strukturen gefordert sind.

Welche Branchen profitieren von der Topologieoptimierung?

Besonders im Hinblick auf das Thema Nachhaltigkeit und Minderung von CO2-Emissionen spielt die Bionik in der Konstruktion eine große Rolle. Jede Branche, die Treibstoff benötigt, reduziert überall dort, wo sie durch verringertes Gewicht Materialien einspart, auch den Treibstoffverbrauch und damit den Ausstoß von Emissionen. Aus diesem Grund beschäftigen sich vor allem die Automobilindustrie sowie die Luft- und Raumfahrt mit der Leichtbauweise, der Bionik und der Topologieoptimierung. Neben dem eingesparten Material profitieren diese Branchen aber auch von der Funktionsoptimierung wie einer erhöhten Stabilität und Festigkeit von Bauteilen, um bspw. Fahrzeuginsassen besser zu schützen oder die Lebensdauer von Fahr- und Flugzeugen zu verlängern.

Mittlerweile mehren sich auch die Anwendungsmöglichkeiten der topologischen Optimierung außerhalb der Automobil- und Luftfahrtbranche. Bspw. können auch Schuhsolen hinsichtlich ihrer Topologie optimiert werden, um eine an ein individuelles Belastungsprofil angepasste Schuhsole herzustellen. Mit der kontinuierlichen Steigerung der Produktivität von additiven Fertigungssystemen sowie den vermehrten Möglichkeiten der Automation solcher Produktionstrassen wird es in Zukunft auch möglich sein, hochindividualisierte und topologieoptimierte Produkte in Serienlosgrößen herzustellen.

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