Eines der größten europäischen Forschungsprojekte ist das „BionicAircraft“ Projekt. In diesem Projekt wird ein hehres Ziel verfolgt: Die Ressourceneffizienz in der Luftfahrt zu steigern. Und zwar mithilfe des 3D-Drucks, also additiver Fertigung. Maßgeblich beteiligt an diesem Forschungsprojekt ist der IT -Spezialist Cenit.

Die Emissionen in der Luftfahrt zu verringern, ist eines der erklärten und großen Ziele der EU. Das Programm, welches im Jahr 2016 im Rahmen des Horizon 2020 Programms startete, vereinte mehrere internationale Konsortialpartner aus den unterschiedlichsten Industriebranchen. Insgesamt 10 Partner aus den Bereichen Forschung und Entwicklung arbeiten seitdem daran, gemeinsam Konzepte zu entwickeln, einen umweltfreundlichen Gesamtlebenszyklus in der Flugzeugherstellung mittels additiver Technologien zu schaffen.

3D-Druck in allen Phasen des Lebenszyklus

Im Flugzeugbau ist es eine der größten Herausforderungen, umweltfreundlich und langlebig zu bauen für die Erschaffung von ultraleichten und dennoch höchst stabilen Bauteilen und Strukturen. Hierzu eignet sich der 3D-Druck am besten, da er unterschiedlichste Materialen und eine Vielzahl von Bauteilen in kurzer Zeit herstellen kann. Der 3D-Druck kann in allen Phasen der Flugzeuglebenszyklen eingesetzt werden. Er ermöglicht die Fertigung von hochkomplexen Bauteilen und eine ressourceneffiziente Lieferkette, da Bauteile vor Ort erzeugt werden können und damit Transportwege wegfallen. Das ist ein nicht unbeachtlicher Anteil bei der umweltfreundlichen Fertigung. Ähnlich wie der CO₂-Wert von Obst, welches im Winter um die halbe Welt gefahren wird, damit es bei uns im Supermarkt landet.

Die Software ist der Schlüssel

Innerhalb des Forschungsprojekts wurden 9 Arbeitspakete beschrieben. Diese beschäftigen sich unter anderem mit den Teilbereichen Produktion, Design, Materialentwicklung, Qualitätssicherung sowie der Entsorgung von im 3D-Druck gefertigten Bauteilen.

Zusammen mit Airbus, dem Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik (iLAS), der TU Hamburg-Harburg sowie der Laser Zentrum Nord GmbH (LZN) arbeitet Cenit an dem Ziel, eine grundlegende Vereinfachung und Effizienzsteigerung innerhalb der Prozesskette der Produktentwicklung für bionische Strukturen (Bionische Strukturen sind aus der Natur entnommene Designs, zum Beispiel Wabenstrukturen oder ähnliches.) im Leichtbau durch eine verbesserte und vereinfachte Designmethodik zu erzielen.

Mit diesen gesetzten Zielen definiert das Unternehmen eines der wesentlichen Potenziale und Herausforderungen, welche im Zusammenhang mit der Fertigung im 3D-Druck entstehen. Denn es geht darum, komplett neue Arten von Teilen zu produzieren, welche mit herkömmlichen Fertigungsmethoden kaum herstellbar waren.

Eine der größten Schwierigkeiten beim additiven Fertigen im Flugzeugbau war die Komplexität einzelner Bauteile, welche individuell und zeitaufwändig manuell entworfen werden mussten. Zudem durchliefen die Bauteile diverse Softwareprogramme, bis sie schlussendlich in einem Drucker hergestellt werden konnten.

Im Fokus steht daher die Vereinfachung des Designprozesses für die Konstrukteure, die dann nicht mehr, wie es heute der Fall ist, zwischen vielen unterschiedlichen Werkzeugen und Programmen arbeiten müssen. Gerade das hatte den Fertigungsprozess sehr aufwändig und langatmig gestaltet.

Eine einzelne Software aus dem CAD-Bereich, die alle Arbeitsschritte abbildet, ist mit Sicherheit der wichtigste Schlüssel zum Erfolg des 3D-Drucks im Flugzeugbau. Sobald diese Hürde genommen ist, kann der Lebenszyklus eins Flugzeugs in jeder Phase um ein Vielfaches verlängert werden. Vor allem jedoch wird es in Zukunft möglich sein, Ersatzteile ohne Zeitverlust und „on demand“ herzustellen und somit für kurze Wartungs- oder Reparaturzeiten zu sorgen.

Wenn man sich über Dinosaurier unterhält, gehen die Gedanken wohl eher Richtung große Tiere und Archäologie. An einen 3D-Drucker bzw. Scanner wird man in der Regel nicht denken. Tatsächlich ist es jedoch so, dass gerade die 3D Scanner in diesem wissenschaftlichen Zweig eine Revolution darstellen. Die Evolutionsbiologin und PhD Forscherin Kimi Chapelle ist die Leiterin einer Studie an der Witwatersrand Universität in Südafrika. Südafrika ist bekannt für einen der am häufigsten vorkommenden Massospondylus-Saurier. Die Forscherin Kimi Chapelle hat sich als Ziel gesetzt, den Schädel dieses Sauriers mittels 3D-Scan komplett zu erfassen, um dadurch ein tieferes Verständnis für diesen Saurier zu bekommen.

Dafür wird der Schädel des Sauriers mittels 3D-Scan-Verfahren und 3D-Druck komplett rekonstruiert. Der Scan arbeitet dabei hochdetailliert und wurde komplett digitalisiert. Er kann im Anschluss auf der ganzen Welt zu Forschungszwecken eingesetzt werden. Möglich gemacht wurde dies mithilfe der MicroFocus-CT-Einrichtung der Universität Witwatersrand.

3D Scan und Evolutionsbiologie

Aufgrund der Digitalisierung der Ergebnisse ist es möglich, dass Forscher und Hobbyarchäologen auf der ganzen Welt eine hochdetaillierte Replik des Schädels herstellen. Durch den sehr genauen Scan im 3D-Verfahren wurden vollkommen neue Erkenntnisse des Schädels und seiner Funktionen gewonnen. So lieferten die Ergebnisse neue Erkenntnisse über die Zähne, die Gehör- und Innenorgane und vieles mehr. Diese wiederrum helfen der Evolutionsbiologie, ihre Erkenntnisse zu erweitern.

Der Massospondylus wurde im Jahr 1854 erstmals entdeckt. Der Paläontologe Sir Richard Owen fand ihn in Südafrika. Inzwischen ist er einer der bekanntesten Saurierarten der Region, da er danach immer öfter gefunden wurde. Da er jedoch nie einer gründlichen Untersuchung unterzogen wurde, hatte Chapelle noch genügend Argumente, um den 3D-Scan und -Druck finanziert zu bekommen. Die gewonnen Erkenntnisse sind beeindruckend und helfen auch dabei, den 3D-Druck in diesem wissenschaftlichen Zweig zu verbreiten.

Paläontologie und 3D-Druck für alle

Als eines der ersten kommerziellen in der Paläontologie entstandenen Projekte gilt das der Digitalisierung der Trayanov-Sammlung. In Kooperation von Threeding.com sowie Artec 3D wurde erstmals eine Verbindung geschaffen zwischen modernem 3D-Druck und der Paläontologie. Die Modelle, welche in diesem Projekt entstanden, erweitern die mehr als 1000 historische Stücke umfassende Sammlung.

Hierbei wurde die professionelle und hochauflösende Technik von Artec 3D eingesetzt. Es wurden die Scanner Spider und Eva eingesetzt, welche Farbe und Form der einzelnen Modelle höchst präzise digitalisierten. Im Anschluss daran wurden die Modelle mit der 3D-Modellierungssoftware Artec Studio 11 vollendet. Die Ergebnisse sind beeindruckend und ausgesprochen realistisch.

Zu Beginn wurden 50 paläontologische Modelle auf der Threeding-Plattform der Öffentlichkeit präsentiert. Für die Pilotmodelle verwendete das Team Gesteinsplatten mit Ammoniten aus dem Mitteljura, welche vollkommen digitalisiert wurden. Diese ersten, öffentlich zugänglichen Funde können nunmehr als 3D-Druck-Modelle in Farbe bestellt werden. Die Preise dafür variieren zwischen 10 und 20 Dollar, je nach Modell und Größe.

Die umfangreiche Sammlung Trayanov ist das beste Beispiel dafür: Überall auf der Welt haben Menschen nun Zugang zu wundervollen Fundstücken, welche von Herrn Trayanov mühsam zusammengetragen wurden. Und mithilfe der präzisen 3D-Scan- und 3D-Druck-Verfahren können heute winzigste Details erkennbar gemacht werden. Damit lassen sich Zusammenhänge viel besser verstehen.

Siemens tüftelt mit kleinen, autarken und selbst aufladenden Spinnenrobotern an der Industriefertigung der Zukunft. Hightechland Deutschland! Spinnen verbindet man in aller Regel mit Insekten oder Wäsche. Siemens erfindet den Namen jedoch neu. Die seitens Siemens genannten SiSpis sind mobile und vollkommen autarke 3D Drucker, welche mit einem schnell härtenden Polymer (ein chemischer Stoff aus Makromolekülen) arbeiten. Die ab der ersten Schraube komplett am PC entworfenen robotischen Spinnen wurden sogar selbst im 3D-Druck Verfahren hergestellt. Verantwortlich dafür zeigte sich der Head of Research Group bei Siemens im Siemens Forschungszentrum in Princeton. Die Rede ist von dem charmanten Brillenträger Herr Livio Dalloro, der mit diesem Projekt erneut seine Brillanz unter Beweis stellen konnte.

Die futuristisch und dennoch sympathisch wirkenden SiSpis besitzen eine Düse am Ende Ihres Druckarms, über welchen schichtweise Schiffsrümpfe oder Flugzeugrümpfe im Mikrometerbereich mit Kunststoffpolymer bearbeitet werden. Die SiSpis arbeiten dabei in der Regel im Team zusammen. Das erfordert natürlich eine entsprechende, relativ aufwändige Programmierung. Diese erfolgt mittels eines neuartigen Computeralgorithmus, der die Kommunikation der SiSpis untereinander erlaubt. Mittels dieses Algorithmus wird die Arbeit unter den einzelnen SiSpis aufgeteilt. Dadurch übernimmt jede einzelne der Spinnen Teilbereiche eines Gesamtprojekts. Selbst komplexere Strukturen sind mit den SiSpis herstellbar. Bei sich ergebenden Hindernissen weichen diese selbstständig aus. Das macht den Einsatz der autarken 3D Drucker fast in und an allen Objekten möglich und eröffnet ganz neue Gebiete für den 3D-Druck.

Ohne Strom geht nichts

Da die SiSpis nicht mit endlosen Kabeln mit Energie versorgt werden können, denn das gäbe ein endloses Gewirr, kam man bei der Entwicklung um das Thema „Akku“ nicht herum. Das stellte das Entwicklerteam um Livio Dalloro vor weitere Herausforderungen. Auch in diesem Punkt wurde eine komplexe Software geschrieben. Ist nun der Akku eines SiSpi nach ca. 2 Stunden leer, fährt dieser autonom in eine Ladestation. In dieser Station wartet bereits ein anderer SiSpi um den zu Ladenden abzulösen. Der SiSpi, welcher in die Station fährt, übermittelt dem frischen SiSpi den aktuellen Status des Auftrags und an welcher Stelle er die Arbeit eingestellt hat.

Der Arbeitsprozess wird auf diese Weise nur kurz unterbrochen und ein Eingreifen von außen ist nicht erforderlich. Um ganze Schiffsrümpfe herzustellen, sind mehrere hundert dieser kleinen Spinnen erforderlich. Die Kommunikation der SiSpis, wie auch die Technik an sich, sind bereits in einem sehr weit fortgeschrittenen Stadium. Bis zum Einsatz in der Großindustrie werden aber noch einige Jahre vergehen. In der Zwischenzeit wird das bereits erlangte Wissen für andere Industrieroboter eingesetzt. Die Zukunft in der industriellen Fertigung gehört jedoch bereits heute den adaptiven Verfahrenstechniken und die SiSpis werden einen enormen Anteil an dieser Zukunft haben.

In der FDM Technik (Fused Deposition Modelling) des 3D-Drucks könnt ihr zahlreiche verschiedene Materialien verwenden. In der Regel nutzt man jedoch Kunststoffe, wobei sich allerdings die Frage stellt, welches Material für das zu druckende Objekt ideal wäre. Meist wird eines der beiden marktbeherrschenden Materialien – PLA oder ABS – verwendet. Worin aber liegt ihr Unterschied? Eine Frage, der wir etwas näher auf den Grund gehen wollen.

Definition PLA und ABS

Für den Vergleich der beiden Materialien wird jeweils von Standard PLA bzw. Standard ABS ausgegangen. Es gibt einige Abwandlungen, die hier allerdings nicht berücksichtigt werden sollen. Falls ihr gerade erst mit dem 3D Druck beginnt, ist PLA oft die bessere Wahl. Es lässt sich im Vergleich meist einfach verarbeiten, sodass bei ersten Druckversuchen keine großen Probleme zu erwarten sind.

ABS ist da bereits etwas anspruchsvoller und neigt u. a. beispielsweise zum sogenannten „Warp-Effekt“, bei dem die einzelnen Druckschichten unterschiedlich schnell abkühlen und es zu Spannungen innerhalb des Objektes kommen kann. Diese erkennt man später oft an einer leichten Wölbung des Drucks.

Was ist PLA?

PLA ist die Abkürzung für den biologisch abbaubaren Kunststoff Polyactid. Er wird aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen und gehört zur Gruppe der Polyester. Typische PLA-Erzeugnisse sind überall anzutreffen. Dazu gehören neben diversen Bechern auch Schalen, Dosen sowie Folien oder andere Verpackungen.

Was ist ABS?

Die Bezeichnung ABS steht beim 3D-Druck für Acrylnitil-Butadien-Styrol. Dieser amorphe Thermoplast zeichnet sich insbesondere durch seine Robustheit aus. Er verfügt sowohl über eine gute Kratzfestigkeit wie auch eine gute Medienbeständigkeit. Dadurch ist er vor allem für die Erzeugung festerer Gegenstände geeignet. In der Regel gibt es ABS in den Farben Gelb, Grün, Blau, Rot, Weiß und Schwarz sowie in durchsichtiger Form. Ein typisches Beispiel für seine Anwendung sind unter anderem die zahlreichen Lego-Steine in den Kinderzimmern weltweit.

PLA oder ABS?

Die grundlegenden Eigenschaften zeigen bereits, welches Material wann geeigneter ist. Dennoch ist es sinnvoll, die Auswahl in Ruhe zu treffen. Für die Benutzung von PLA-Filamenten muss die Düsentemperatur beispielsweise nur bei etwa 180 – 210°C liegen, ein Heizbett ist nicht zwingend erforderlich. ABS verlangt dagegen eine Temperatur von 215 – 250°C und zusätzlich eine Heizbetttemperatur von 100 – 125°C, um eine optimale Verarbeitung sicherzustellen. Die Wahl des richtigen Filaments hängt zu einem gewissen Grad also auch von den umsetzbaren Düsentemperaturen ab. Steht zudem im Vorfeld des Drucks bereits fest, dass das Ergebnis ggf. noch einmal bearbeitet werden muss (durch Fräsen, Bohren o. ä.), ist ABS oft besser geeignet. Es ist im Vergleich einfach fester und kann so einfacher nachbearbeitet werden.

Wann sollte ein ABS-Filament verwendet werden?

• ABS ist hitzebeständiger als PLA und beginnt erst bei etwa 100°C sich zu verformen.
• ABS hat einen geringeren Reibungskoeffizienten als PLA und ist damit leichter zu extrudieren.
• ABS ist die Urform des Filaments und wurde bereits in den Anfängen des 3D-Drucks verwendet.
• Die mit ABS gedruckten Teile sind weniger spröde und weisen eine leichte Biegung auf.
• ABS erzeugt beim Druck eine glänzendere Oberfläche als PLA.
• Wann sollte PLA verwendet werden?

Mit PLA gedruckte Objekte sind starrer als Drucke aus ABS.

• PLA erzeugt beim Drucken kaum Geruch. Sollte es dennoch riechen, dann angenehm süßlich aufgrund des biologisch abbaubaren Materials.
• Drucke aus PLA haben eine leicht glänzende Oberfläche.
• PLA ist während des Drucks weniger anfällig für Verformungen.

In den Anfängen der Technik war die Begeisterung und Faszination für den 3D-Druck noch enorm. Immer neue Anwendungsmöglichkeiten wurden gefunden und in der Medizin beispielsweise auch deutliche Fortschritte gemacht. Doch während es an der einen Stelle auf Flexibilität ankommt, sind in anderen Bereich Festigkeit und Robustheit gefragt. Mit den Standard-Filamenten lässt sich dies nur bis zu einem gewissen Grad erreichen, da noch immer Kunststoff als Druckmaterial verwendet wird.

Ein 3D-Druck mit Metall oder auch Aluminium wäre hier eine gute Alternative, besonders wenn im Ergebnis ein funktionsfähiges Bauteil entsteht. Tatsächlich gibt es bereits 3D-Drucker, die genau das leisten und auf ein feines Metallpulver als Druckmaterial setzen.

Das Pulver wird in einem mit Stickstoff gefüllten Raum vorgewärmt und anschließend mit Hilfe von genau ausgerichteten Laserschüssen bearbeitet. So gesehen wird hier nicht Schicht um Schicht aufgetragen, sondern es werden verschiedene Schichten, die ohnehin bereits aufeinanderliegen, mit Laserschüssen gezielt miteinander verbunden.

Welche Metalle eignen sich für den 3D-Druck

Es wurden bereits verschiedene Metalle im Druck ausprobiert. Im Ergebnis können alle gängigen NE-Metalle sowie Stahl für den Druck verwendet werden. Außerdem sind folgende Materialien geeignet:

• Gold
• Silber
• Titan
• Nickel
• Kupfer
• Messing

und zahlreiche Weitere.

Die Metalle lassen sich sogar so gut verarbeiten, dass selbst sehr komplexe und filigrane Drucke kein Problem mehr sind. Die sogenannten SLS- oder auch DMLS-Verfahren sind daher schon jetzt eine echte Alternative, da sich insbesondere die filigranen und komplexen Modelle auf herkömmlichen Weg oft nur sehr umständlich erzeugen lassen. Gleichzeitig ermöglicht das deutlich filigranere Arbeiten auch das Einsparen von Gewicht. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt beobachtet man die Entwicklungen daher mit großem Interesse.

Vorstellung einiger 3D-Druckverfahren mit Metall

Es gibt bereits eine ganze Reihe verschiedener Druckverfahren, in denen Metall als Druckmaterial verwendet wird. In der Vorarbeit wird hier wie bei jedem anderen Material eine umfassende Vorlage entwickelt, anhand derer anschließend der eigentliche Druck erfolgt. Im Folgenden haben wir einmal einige der möglichen Verfahren herausgesucht.

Selektives Lasersinter/ Direct Metal Laser Sintering

SLS und DMLS sind die beiden gängigsten Verfahren im 3D-Druck mit Metall. Beide Begriffe bezeichnen eigentlich den gleichen Prozess, wobei SLS mehr das grundlegende Prinzip meint.

Für den Druck wird das gewünschte metallische Pulver in die Anlage gegeben. Danach werden die in der Vorlage vorgegebenen Stellen strenggenau erhitzt und das Pulver so miteinander verbunden. Es wird jedoch immer nur so viel Energie aufgewendet, dass eine Schicht bearbeitet wird.

SLM (Selektives Laserschmelzen)

Das SLM Verfahren ist dem des SLS ähnlich. Allerdings wird hier nicht in einzelnen Schichten gearbeitet. Stattdessen werden direkt alle gewünschten Schichten miteinander verschmolzen.

Laser-Auftragsschweißen

Hier wird ebenfalls nur die oberste Schicht mit einem Laser erhitzt. Allerdings verbindet sich diese nicht mit einer darunterliegenden Schicht, sondern mit einer anschließend Aufgebrachten.