Additive Fertigung komplexer Geometrien: Neue Möglichkeiten für den Maschinenbau

 Die Fähigkeit, komplexe Geometrien ohne zusätzliche Werkzeuge oder Formen zu fertigen, zählt zu den größten Stärken der additiven Fertigung. Vor allem im Maschinenbau eröffnen sich durch den 3D-Druck völlig neue Perspektiven für die Gestaltung, Produktion und Optimierung von Bauteilen. Während konventionelle Fertigungstechniken oft durch geometrische Einschränkungen limitiert sind, kann der 3D-Druck selbst hochkomplexe Strukturen realisieren – wirtschaftlich und präzise.

Was sind komplexe Geometrien?

In der Fertigung spricht man von komplexen Geometrien, wenn Bauteile über eine Vielzahl ineinandergreifender Formen, Hinterschneidungen, Hohlräume, Gitterstrukturen oder filigrane Details verfügen. Solche Geometrien sind mit klassischen Fertigungsverfahren wie Fräsen, Drehen oder Gießen oft schwer oder gar nicht herstellbar.

Typische Beispiele für komplexe Geometrien:

• Organisch geformte Kühlkanäle in Spritzgusswerkzeugen

• Leichtbau-Gitterstrukturen zur Gewichtseinsparung

• Bionische Formen, inspiriert durch die Natur

• Funktionale Integrationen, z. B. Bauteile mit integrierten Scharnieren oder Dämpfungselementen

Warum ist der 3D-Druck dafür prädestiniert?

Additive Fertigung baut Bauteile Schicht für Schicht direkt aus einem digitalen Modell auf. Dadurch entfällt der Bedarf an Werkzeugen und Formen. Konstrukteure erhalten so deutlich mehr Freiheiten bei der Gestaltung.

Vorteile bei der Umsetzung komplexer Geometrien mit 3D-Druck:

• Designfreiheit: Bauteile können ausschließlich nach funktionalen Kriterien gestaltet werden.

• Funktionsintegration: Mehrere Komponenten lassen sich zu einem einzigen Teil verschmelzen.

• Materialersparnis: Nur dort wird Material eingesetzt, wo es strukturell nötig ist.

• Weniger Montageschritte: Komplexe Baugruppen können als einteiliges Bauteil produziert werden.

Ein Beispiel: Ein Wärmetauscher mit verwinkelten Kanälen und bionischer Außenstruktur ist im 3D-Druck mit selektivem Laserschmelzen (SLM) ohne zusätzlichen Aufwand herstellbar – konventionell wäre dies nahezu unmöglich.

Anwendungen im Maschinenbau

Im Maschinenbau gibt es zahlreiche Einsatzfelder, bei denen komplexe Geometrien von Vorteil sind. Hier einige Beispiele:

1. Optimierte Strömungskanäle

Bei Pumpen, Ventilen oder Kühlsystemen kann die Strömungsführung durch Freiformgeometrien deutlich effizienter gestaltet werden. Additive Fertigung ermöglicht die Realisierung solcher Formen in einem Stück.

2. Leichtbaustrukturen

Gerade im Sondermaschinenbau oder bei bewegten Teilen zählt jedes Gramm. Gitterstrukturen oder Topologie-optimierte Formen helfen, Gewicht zu sparen, ohne die Stabilität zu verlieren.

3. Werkzeug- und Formenbau

Formeinsätze mit konturnaher Kühlung verbessern die Zykluszeit und Qualität bei Spritzgießprozessen. Diese Kühlkanäle können dank 3D-Druck exakt der Bauteilgeometrie folgen.

4. Einzel- und Ersatzteile

Komplexe Ersatzteile für alte Maschinen lassen sich direkt aus CAD-Daten fertigen, ohne dass Gussformen oder Fräsvorrichtungen nötig sind.

In der aktuellen Entwicklung des 3D-Drucks im Maschinenbau spielt die Herstellung solcher innovativen Geometrien eine Schlüsselrolle bei der digitalen Transformation.

Konstruktionsprinzipien für komplexe 3D-Druck-Bauteile

Um die Vorteile komplexer Geometrien auszuschöpfen, ist ein Umdenken bei der Konstruktion notwendig. Herkömmliche CAD-Richtlinien müssen angepasst werden.

Wichtige Aspekte:

• Supportstrukturen minimieren: Besonders bei Metall-3D-Druckverfahren wie SLM oder DED sind Überhänge problematisch. Eine clevere Ausrichtung und Gestaltung kann Stützstrukturen reduzieren.

• Lastpfade berücksichtigen: Bei Leichtbauformen sollten Kraftflüsse durch Topologieoptimierung berücksichtigt werden.

• Fertigungsgerechtes Design: Bauteile sollten in einem druckbaren Volumen untergebracht werden und auf die jeweilige Drucktechnologie abgestimmt sein.

Werkzeuge wie generatives Design oder parametrische Modellierung helfen dabei, automatisch optimierte Geometrien zu generieren.

Typische Verfahren für komplexe Geometrien

Nicht jedes 3D-Druckverfahren eignet sich gleichermaßen für die Herstellung komplizierter Formen. Die Auswahl hängt vom gewünschten Material, der Genauigkeit und den Funktionseigenschaften ab.

• Selektives Laserschmelzen (SLM): Ideal für Metallteile mit hoher Präzision und komplexer innerer Struktur.

• Stereolithografie (SLA): Für filigrane Kunststoffbauteile mit hoher Oberflächengüte.

• Fused Deposition Modeling (FDM): Günstige Option für großvolumige Prototypen mit komplexer Außenform.

• Multi Jet Fusion (MJF): Gute Balance zwischen Detailtreue und Wirtschaftlichkeit.

Herausforderungen bei der Umsetzung

Trotz aller Vorteile ist die Herstellung komplexer Geometrien im 3D-Druck nicht trivial. Einige Herausforderungen:

• Datenaufbereitung: Große STL-Dateien mit hoher Detailtiefe können zu langen Slicing-Zeiten und Speicherproblemen führen.

• Verzugsrisiko: Filigrane Strukturen neigen beim Abkühlen zu Verzug, vor allem bei Metall- und Hochtemperaturpolymeren.

• Post-Processing: Das Entfernen von Supportstrukturen oder das Glätten von Oberflächen kann aufwendig sein.

• Kosten: Hochpräzise Drucke mit komplexer Geometrie sind kostenintensiver als einfache Teile – die Einsparung entsteht meist durch den Wegfall mehrerer Fertigungs- und Montageschritte.

Zukunftspotenziale

Die fortschreitende Digitalisierung der Konstruktion, etwa durch KI-gestützte Generative Design Tools, ermöglicht eine noch effizientere Gestaltung komplexer Strukturen. In Kombination mit neuen Materialien und schnelleren Druckverfahren steht die additive Fertigung kurz davor, sich als Standardlösung für komplexe Bauteile im Maschinenbau zu etablieren.

Besonders spannend ist die Integration dieser Bauteile in funktionale Baugruppen und komplette Systeme – ein Thema, das sich mit der zunehmenden Systemintegration und Modularisierung im Maschinenbau deckt.

Fazit

Die additive Fertigung komplexer Geometrien revolutioniert die Art und Weise, wie im Maschinenbau konstruiert und produziert wird. Wo früher Einschränkungen durch Werkzeuge, Formen oder Fertigungstechniken herrschten, eröffnet der 3D-Druck einen neuen Horizont der Gestaltungsfreiheit. Ob Leichtbau, Funktionsintegration oder individuelle Anpassungen – komplexe Formen sind heute kein Hindernis mehr, sondern der Schlüssel zur Innovation.

Mit zunehmender Erfahrung, verbesserten Softwarelösungen und wachsendem Materialportfolio wird die Bedeutung von komplexen Geometrien im 3D-Druck weiter steigen – nicht als technisches Gimmick, sondern als zentraler Faktor für nachhaltige Effizienz, Funktionalität und Wirtschaftlichkeit im Maschinenbau.