Additive Fertigung mit Topologieoptimierung
Technologie-Check
Definition und Wirk-/Funktionsprinzip
Bei der Auslegung von Produkten kann bereits eine Topologieoptimierung durchgeführt werden. Das heißt, es werden die Randbedingungen betrachtet wie wirkende Kräfte, Einspannungspunkte und Materialeigenschaften und anschließend ein Modell mit Hilfe von Simulationen modelliert, das nur so viel Material verwendet, dass die mechanischen Eigenschaften nicht eingeschränkt sind. Diese Optimierung ist besonders wertvoll, wenn das Produkt im Anschluss über additive Fertigungsverfahren aufgebaut wird, da diese eine enorme Designfreiheit ermöglichen. Dies führt sowohl zu Material- und Gewichtseinsparungen und erlaubt funktionsintegrierte Produkte. Typische Anwendungsbereiche sind die Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Maschinenbau und Medizintechnik.
SWOT-Analyse
Stärken
- Hohe Materialeffizienz erlaubt Materialeinsparungen bis zu 60 %
- Einsatzmöglichkeiten im Bereich Leichtbau wird unterstützt durch bessere Wärmeverteilung, durch geringeren Materialeinsatz
- Additive Fertigung erlaubt komplexe Geometrien und somit auch die Verbindung verschiedener Bauteilfunktionen innerhalb eines Bauteils
- Vermeidung von Materialabfällen durch Einsatz rein additiver Fertigungsverfahren
- Wirtschaftliche Herstellung individueller Produkte und kleiner Losgrößen
Schwächen
- Produktionskosten steigen bei großen Stückzahlen, da kaum Skalierungseffekte auftreten
- Know-how erforderlich für die korrekte Auslegung des Produktdesigns mit Unterstützung von Simulationssoftware
- Häufig Nachbearbeitung der Bauteile erforderlich, um die Oberflächenqualität zu verbessern
Chancen
- Leichtbau ist ein wachsendes Themenfeld mit Anwendungen in Luft- und Raumfahrt, Maschinenbau und Mobilität
- Additive Fertigung erlaubt die Vermeidung von Lagerhaltung und die Produktion von Produkten vor Ort ohne lange Lieferketten
- Möglichkeit komplett neuer Produktdesigns
- Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen kommerziellen Anbietern
Risiken
- Je nach Verfahren können die Investitionskosten in die erforderliche Anlagentechnik relativ hoch sein
- Konkurrenz durch Weiterentwicklung in konventionellen Verfahren und Materialien
- Fachkräftemangel für die Durchführung von Topologieoptimierungen
Erfolgsbeispiele
- In Baden-Württemberg umgesetzt: Im Fraunhofer-Projekt „AluTrace“ werden vernetzte Fertigungs- und Werkstoffdaten genutzt, um das Design additiv gefertigter Aluminium-Leichtbauteile zu optimieren. Durch die Verknüpfung von Prozess-, Material- und Bauteildaten können Bauteile gezielt topologieoptimiert und ressourceneffizient konstruiert werden – ein wichtiger Schritt für leistungsfähige und materialeffiziente Komponenten in der additiven Fertigung.
Zum Erfolgsbeispiel - Das Erfolgsbeispiel zeigt die Technologieanwendung an einem Steuerblock. Dies kann zu Gewichtseinsparungen von 75 %, Volumeneinsparungen von 25 % und Strömungsoptimierungen führen, sodass trotz aller Einsparungen weitere Funktionsoptimierungen durchgeführt werden können.
Zum Erfolgsbeispiel
Technologieanbieter
Mögliche Technologieanbieter aus Baden-Württemberg: Lightbau Engineering GmbH & Co. KG, INTES GmbH Stuttgart
