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Donnerstag, 14. September 2017, Ausgabe Nr. 37

Donnerstag, 14. September 2017, Ausgabe Nr. 37

Fertigung

Ausgezeichnet! Drei Ideen zum 3-D-Druck

Von Stefan Asche | 29. Juni 2017 | Ausgabe 26

Auf der Messe Rapid-Tech in Erfurt zeigten Start-ups, was mittels additiver Fertigung möglich ist – und wie sich diese Möglichkeiten erweitern lassen.

BU Stealth Key
Foto: UrbanAlps

Der „Stealth Key“ der UrbanAlps AG lässt sich kaum kopieren. Er verbirgt seine additiv gefertigten Zähne hinter Lippen aus Titan oder Stahl.

Viel vorgenommen hat sich Johannes Günther: Der Entwicklungsleiter des Start-ups Additive Elements will große, formstabile Kunststoffteile präzise und schnell drucken – zu günstigen Preisen und mit wenig Nachbearbeitungsaufwand. Um dieses ehrgeizige Ziel zu verwirklichen, hat er gemeinsam mit Partner Thilo Kramer ein neues Materialsystem für das Binder-Jetting-Verfahren ausbaldowert. Bei diesem Verfahren wird schichtweise aufgetragenes Pulver an ausgewählten Stellen mit einem Binder verklebt. „Bisher entstanden dabei ziemlich poröse Bauteile“, so der Münchner. Dauerhaft haltbare Objekte seien auf diesem Weg kaum herstellbar gewesen. „Uns ist es nun aber gelungen, die Dichte der Teile zu erhöhen.“ Die Jury des Start-up-Awards der Messe „Rapid Tech“ würdigte dies mit dem dritten Preis.

Das Erfolgsrezept von Additive Elements basiert auf nur zwei Zutaten: einem Polymerpulver und einem Monomerbinder. Außerdem wird ein simpler Ofen gebraucht. Entscheidend für den Produktionserfolg sind also die richtige Mixtur und Temperatur. Günther verrät: „Wir bringen relativ viel Flüssigkeit in das Pulver ein.“ Dabei handele es sich um ein Methylmethacrylat, welches nur sehr langsam ausdampft. Es gehöre zur gleichen Stoffgruppe wie das Basispulver. „Deshalb entsteht ein ziemlich homogenes Materialgefüge mit sehr kleiner Restporosität. Die Kunst besteht darin, die Konturen des späteren Bauteils trotz des hohen Bindereintrags nicht zerfließen zu lassen.“ Details verrät der Jungunternehmer nicht.

Foto: Additive Elements

Johannes Günther, Entwicklungsleiter des Münchner Start-ups Additive Elements, hat ein Materialsystem mitentwickelt, dass ein schnelles und kostengünstiges Drucken sehr großer Kunststoffteile erlaubt.

Während das Material Schicht für Schicht verklebt wird, findet noch keine Aushärtung statt. „Die Polymerisation wird erst im Ofen eingeleitet – bei 80 °C“, so Günther. Nach Abschluss der Wärmebehandlung kann das fertige Bauteil aus dem Pulverbett genommen und von ungebundenem Material befreit werden. Dazu bedarf es keiner Samthandschuhe – schließlich ist das Produkt bereits ausgehärtet. Die Zugfestigkeit gibt der 40-Jährige mit 30 MPa an. Die Bruchdehnung liege bei 2 %. Weiterer Vorteil: „Das ungebundene Restpulver kann zu 100 % wiederverwertet werden.“ Und die Kosten des Verfahrens lägen bei etwa einem Drittel im Vergleich zum Lasersintern. Gleichzeitig ließen sich weit größere Teile damit herstellen. Hardware-Partner Voxeljet bietet aktuell beispielsweise einen Bauraum von 106 cm x 60 cm x 50 cm. Künftige Maschinen der Druckerschmiede sollen sogar bis zu 8 m3 bereitstellen.

Fertige Teile lassen sich laut Günther sehr gut sägen, schleifen, bohren, lackieren und imprägnieren. Die Schwindung im Ofen von 0,7 % ließe sich einfach ausgleichen – mit einem entsprechenden Aufschlag auf das zu bauende Modell.

Einziges Manko sei aktuell die thermische Belastungsgrenze der Bauteile. „Ab 80 °C wird es kritisch“, räumt der Gründer ein. „Aber wir sind mit unseren Forschungen noch nicht am Ende. Da geht noch was!“

Platz zwei im Wettbewerb sicherte sich CellCore3D. Die Berliner entwickeln eine Software, die dabei hilft, Strukturbauteile im Hinblick auf Gewicht, Steifigkeit und Schwingungseigenschaften zu optimieren. Bei der herstellungs- und belastungsgerechten Konstruktion setzen sie auf bionische Strukturen und zellulare Kerne. Die gewonnenen CAD- oder STL-Daten können anschließend an einen 3-D-Drucker übergeben werden. Zielgruppe sind neben Flugzeug- und Fahrzeugherstellern auch Maschinenbaufirmen.

Foto: CellCore

Paul Schüler vom Berliner Unternehmen CellCore hat eine Software mitentwickelt, die Bauteile im Hinblick auf Gewicht und Steifigkeit optimiert. Dabei setzt er auf stochastische Wabenstrukturen.

Paul Schüler, Entwicklungsleiter des Start-ups, erläutert die Möglichkeiten der Software anhand eines Pilotprojekts: „Zusammen mit dem Formula-Student-Team der TU Berlin haben wir uns zum Ziel gesetzt, den Heckspoiler eines Rennwagens zu perfektionieren. Die bisherige Lösung auf Basis von Karbonholmen war schon sehr leicht, bot aber nur lokal eine hohe Steifigkeit. Hier und da gab es instabile Bereiche, die sich negativ auf die Fahrzeugdynamik auswirkten.“

Im Rahmen der Optimierung durfte die äußere Form aus aerodynamischen Gründen nicht verändert werden. „Gegeben waren außerdem Belastungsdaten, die im Rahmen einer Strömungssimulation gewonnen wurden.“

Was fehlte war Geld. „Deshalb haben wir uns entschieden, die Flügel im relativ günstigen Schmelzschichtverfahren herzustellen.“ Bei diesem Verfahren wird das Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff aufgebaut.

Eine weitere Restriktion lag in den Temperaturanforderungen: „Die Teile sollten bis 100 °C formstabil bleiben“, so Schüler. „Dadurch wurde das Spektrum der möglichen Materialien stark eingeschränkt.“

 Mit all diesen Rahmenbedingungen wurde die Software gefüttert. Ausgespuckt hat sie eine stochastische Wabenstruktur, die lastgerecht aufgebaut ist und sich mittels Schmelzschichtdrucker realisieren lässt. Wie genau sie das geschafft hat, mag Schüler nicht verraten. Hintergrund: „Auch große Softwarehäuser arbeiten an solchen Lösungen. Und in Deutschland ist es kaum möglich, einen Algorithmus patentrechtlich zu schützen.“

Genutzt werden könne die Software auch im Rahmen anderer Herstellungsverfahren, etwa der zerspanenden Fertigung oder beim Spritzguss. Regelmäßig ließen sich Gewichtseinsparungen von bis zu 30 % realisieren. Außerdem können laut Schüler problemlos weitere Funktionen in ein Bauteil integriert werden. „Beim Spoiler haben wir Stellmotoren in die Struktur eingebaut. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Flügelneigung der jeweiligen Fahrsituation dynamisch anpassen.“

Platz eins ging an die UrbanAlps AG. Die Züricher wollen Einbrechern das Leben schwer machen. Sie mahnen, dass sich sogar Sicherheitsschlüssel mithilfe von Scannern und 3-D-Druckern leicht kopieren lassen. Dazu reiche inzwischen Hardware aus dem Hobbybereich. Und wie begegnen die Eidgenossen dieser Sicherheitsbedrohung? Mit 3-D-Druckern!

Ergebnis ihrer Entwicklungsarbeit ist der rein mechanische „Stealth Key“. Dieser Schlüssel zeigt – im Gegensatz zum konventionellen Pendant – niemals seine Zähne. Stattdessen hält er sie hinter einer Lippe aus Titan verborgen. Auch der beste Scanner kann sie nicht erfassen. Einen Abdruck zu nehmen ist ebenfalls unmöglich.

Gefertigt wird die innen liegende Struktur mittels selektivem Laserschmelzen. Die Schweizer nutzen dazu Maschinen von der Lübecker SLM Solutions AG. Um 1000 Schlüssel herzustellen, braucht ein Drucker ungefähr 30 Stunden.

Die Schließzylinder von UrbanAlps beinhalten 14 Gehäusestifte, die vom Schlüssel einzeln eingedrückt werden können. „Damit sind 5 Mio. verschiedene Sicherheitskombinationen möglich“, erklärt Entwicklungsleiter Jiri Holda.

Die Kosten für das System sind laut Holda vergleichbar mit konventionellen Sicherheitsschlössern. Für einen Zylinder mit zwei Schlüsseln werden demnach rund 200 € fällig.

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