Aus der Praxis:
OBERFLÄCHEN-OPTIMIERTES DESIGN VON 3D-DRUCK BAUTEILEN

Die additive Fertigung bietet bekanntlich sehr große Freiheiten für das Bauteildesign. So lassen sich komplexe innenliegende Hohlräume aus Gründen des Leichtbaus oder zur Bereitstellung spezieller Funktionen, wie bspw. einer optimierten Wärmeabführung, in das jeweilige Grundbauteil integrieren. Sowohl für solche Geometrien mit Fluidkontakt, als auch für zyklisch belastete Bereiche ist die Oberflächengüte der gedruckten Bauteile dabei von entscheidender Bedeutung im praktischen Einsatz. So verringert eine geringe Oberflächenrauheit innere Reibungsverluste durchströmter Bereiche und sorgt für eine erhöhte Lebensdauer des Bauteils unter dynamischer (thermo-)mechanischer Beanspruchung. Die erzielbare Oberflächengüte eines additiv-gefertigten Bauteils ist von verschiedenen Parametern abhängig, die über den Bauraum keineswegs konstant sind. Hierunter fallen neben der Position des Bauteils im Bauraum und den angewendeten Prozessparametern insbesondere die jeweiligen, von der Geometrie des Bauteils abhängigen Aufbauwinkel.
Um die geforderte Performance im praktischen Einsatz bereitzustellen, werden die Oberflächen additiv-gefertigter Bauteile nach der Rohteilfertigung häufig mit größerem Aufwand nachbearbeitet. Die verfügbaren Verfahren bieten dabei z. T. nur ein begrenztes Automatisierungspotential und stoßen insbesondere beim Glätten innenliegender und filigraner Geometrien häufig an technologische Grenzen. Aufwändige Nachbearbeitungen könnten dabei bereits im Produktentwicklungsprozess durch eine angepasste Designentwicklung in Abstimmung auf den späteren Fertigungsprozess vermieden werden. Häufig fehlen den Konstrukteuren und Entwicklern jedoch die Grundlagen sowie quantifizierte Prognosemodelle bestimmte Bauteilbereiche durch ein adäquates Design und eine optimierte Fertigungsstrategie so auszugestalten, dass die Oberflächengüte des Rohbauteils den vorliegenden Anforderungen auch ohne größere Nachbearbeitungen genügt.
Im Rahmen des EU-geförderten Forschungsprojekts Hochtemperaturanwendungen 2.0 untersuchen wir den bauteilgeometrie- und fertigungsprozessbedingten Einfluss auf die Oberflächengüte additiv, mittels Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) gefertigter Strukturen aus einer speziellen Nickelbasislegierung. Die Haupteinflüsse, die dabei betrachtet werden, sind der Lasereinfallswinkel (der um bis zu 25° schwanken kann, je nach Positionierung des Bauteils im Bauraum) sowie die im Bauraum unterschiedlich ausgeprägte Frischluftzu- und -abfuhr. Für die Forschungsarbeiten wurde eine geeignete Testgeometrie erstellt, die einen großen Bereich von Überhangwinkeln und lokaler Rauheiten abdeckt. Die nach dieser Geometrie erstellten Testkörper werden derzeit in Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Werkstofftechnik der TU Berlin sowie dem Institut für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde an der Charité mit einem Weißlichtinterferometer vermessen.
Aus den erhobenen Daten werden die Zusammenhänge zwischen der Lage und Position bestimmter Bereiche eines Bauteils im Bauraum und den nach der Fertigung resultierenden Oberflächenkennwerten genau ermittelt und quantifiziert. Die Erkenntnisse des Forschungsprojektes werden anschließend in unsere hausinterne Modellierungssoftware integriert, um so eine Vorhersage der zu erwartenden Oberflächengüten bereits im frühen Designprozess abzuleiten und die zukünftige Produktentwicklung weiter zu verbessern
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