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Lehre und Forschung mittels 3D-Druckern

Lehre und Forschung mittels 3D-Druckern

3D-Drucker im neu eingerichteten Labor (Foto: Lippert).

Seit August 2016 besitzt die Fakultät für Maschinenbau ein 3D-Druck-Labor im Otto-Klüsener-Haus, welches vom Institut für Produktentwicklung und Gerätebau betreut wird und Studierenden das eigenständige Arbeiten mit 3D-Druck-Anlagen ermöglicht.

Neben dem Einsatz für studentische Projekte wird das 3D-Druck-Labor vor allem in die Lehre eingebunden, wie beispielsweise in das konstruktive Projekt II. Eine weitere Lehrveranstaltung ist „Gestaltung für Additive Fertigung“, welche erstmalig im Wintersemester 2016/2017 angeboten wurde. In fünf Gruppen, à sechs bis acht Personen, konzipierten und entwarfen die Teilnehmenden eigenständig ferngesteuerte Autos im neuen 3D-Druck-Labor auf Basis eines bereitgestellten CAD-Modell (Computer Aided Design).

Die 3D-Druck-Technik – Theorie

Das CAD-Modell dient als digitale Grundlage für die Arbeit mit 3D-Druckern: Am Computer wird eine dreidimensionale Zeichnung des gewünschten Objektes angefertigt. Die Zeichnung wird in einem zweiten Schritt – dem Slicen – vom Computer in Scheiben geschnitten, welche danach gewissermaßen aufeinanderliegen. Im Anschluss daran wird die Zeichnung in einzelne, zweidimensionale Bilder zerlegt und so für den dreidimensionalen Druck vorbereitet. Der 3D-Drucker erkennt die einzelnen Bilder und druckt sie Schicht für Schicht aufeinander – aus diesem Grund spricht man auch von additiver Fertigung. Die Drucker im OK-Haus verwenden die sogenannte Fused Deposition Modeling Technologie (FDM). Dabei wird ein Kunststofffaden (sog. Filament) auf 180 Grad Celsius erhitzt, mit dem schichtweise gedruckt wird. Der Kunststoff härtet in kürzester Zeit aus.

Die 3D-Druck-Technik – Praxis

Bastian Lippert arbeitet am 3D-Drucker (Foto: lsw).

Das auf den ersten Blick nicht allzu kompliziert erscheinende Druckverfahren, erweist sich in der Anwendung als gar nicht so einfach, was auch die Teilnehmenden des Projektes in der Konzeptionsphase merkten: „Für eine möglichst schnelle Fertigung, müssen am 3D-Drucker zuvor verschiedenste Einstellungen vorgenommen werden“, berichtet Projektleiter und wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Produktentwicklung und Gerätebau Bastian Lippert. „Hinzu kommen in unserem Projekt, als auch in der Arbeitswelt, die sozialen Komponenten, wie die Zusammenarbeit und Kommunikation innerhalb des Teams, die für die Abstimmung der Schnittstellendefinition von besonderer Bedeutung sind. Häufig arbeiten die Gruppen unter Arbeitsteilung, jeder kümmert sich um andere Teile, aber letztlich müssen diese auch zusammenpassen.“

 Das Resultat des Projekts: Fünf verschiedene Fahrzeuge

Die Top-Drei: Gewinnerauto mit Wabenstruktur (links), Beschleunigungssieger (rechts) und der dritte Platz (Hintergrund), (Foto: lsw).„Anfänglich hatten wir die Vielfalt der zu entstehenden Autos und auch das große Engagement der Studierenden gar nicht erwartet. Doch am Ende des Projektes waren fünf ganz verschiedene Autos entstanden“, erzählt Lippert.

Grund dafür waren unter anderem die zu berücksichtigten Kriterien: maximale Materialersparnis, Funktionsintegration und integrierte Kanäle, Gewichtsreduktion durch innere Strukturen, Kraftflussanpassung und Bionik sowie Individualisierung und Design.

Höchste Konzentration beim Abschlussrennen (Foto: Lippert).Jede Gruppe musste ein anderes Kriterium umsetzen. „Für die Umsetzung der Kriterien ließ sich jede Gruppe etwas Besonderes einfallen. Es waren wirklich interessante Ideen dabei. Beispielsweise hat die Gruppe mit dem Kriterium Kraftflussanpassung und Bionik ihr Auto mittels einer Wabenstruktur konzipiert und mit der 3D-Druck-Technik umgesetzt. Die Wabenstruktur dient der Festigkeit und Stabilität des Autos bei möglichst wenig Materialeinsatz. Die Stabilität ist dabei vergleichbar mit einem Schildkrötenpanzer“, so Lippert.

Der Einsatz der Gruppe hatte sich ausgezahlt, im Abschlussrennen, das im Rahmen des Projekts veranstaltet wurde, erzielte sie mit ihrem schildkrötenpanzerartigen Rennwagen den ersten Platz in der Kategorie Slalom. Gruppe eins, welche das Kriterium Materialersparnis erfüllen sollte, schaffte es, sich in der Beschleunigung durchzusetzen.

 Weitere 3D-Drucker für die Forschung

Von links 3D-Metall-Drucker, dahinter der 3D-Kunststoffdrucker des IpeGs (Foto: Lippert).Neben den FDM-Druckern hat das Institut für Produktentwicklung und Gerätebau (iPeG) weitere 3D-Drucker, die für die Forschung eingesetzt werden. Dabei handelt es sich, im Vergleich zu den eher kleinen Geräten des OK-Hauses, um verhältnismäßig große Maschinen, die auch größere Teile problemlos herstellen können. Zwei dieser Drucker funktionieren mit einem pulverbettversierten Verfahren, das bedeutet, es wird mittels eines sehr feinen Granulats und Lasertechnik gedruckt. Die beiden Drucker unterscheiden sich voneinander aufgrund ihres Druckmaterials: Der eine druckt mit Kunststoff bei knapp 200 Grad Celsius mittels dem Verfahren des selektiven Lasersinterns, während der andere Metall bei rund 700 Grad Celsius durch selektives Laserstrahlschmelzen verarbeitet. Die beiden Großgeräte dürfen nur von speziell dafür ausgebildeten Technikerinnen und Technikern bedient werden.

Bastian Lippert präsentiert den Lasersintern-3D-Drucker (Foto: lsw).

Das selektive Laserstrahlschmelzen wird unter anderem für die Entwicklung von Strukturbauteilen für Fahr- und Flugzeuge eingesetzt. Die Methode des 3D-Drucks ermöglicht dabei, dass die Bauteile um 30 bis 55 Prozent weniger Material benötigen. Infolgedessen ist auch der Energieeinsatz geringer und die Bauteile sind um einiges leichter. 3D-Druck-Experte Bastian Lippert erforscht derzeit, welchen Nutzen additives Manufacturing gegenüber konventionellen Methoden hat. Ein Vorteil ist beispielsweise der geringere CO2-Ausstoß bei Betrachtung der gesamten Lebensspanne eines Produktes. (lsw)