3D-Druck-Kolumne Additive Konstruktion - Warum fällt uns das so schwer?

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Drei aufeinander aufbauende Tipps, die unbedingt zu beachten sind, wenn es um die Konstruktion (DfAM) von technischen Bauteilen geht, die mit additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden.

Die monatliche 3D-Druck-Kolumne entsteht in Kooperation mit unserem Autor Johannes Lutz. Mehr zum Autor finden Sie am Ende des Textes. Interessieren Sie sich noch für weitere Themen aus der Welt des 3D-Drucks? Dann hören Sie sich den 3D-Druck-Podcast von Johannes Lutz zum Thema 'Additive Konstruktion - Warum fällt uns das so schwer?' an.

Haben Sie wirklich schon mal additiv konstruiert oder es wenigstens schon mal versucht?

Willkommen in einer neuen Welt der Konstruktion von technischen Bauteilen. Besonders wenn Bauteile ein komplett anderes Erscheinungsbild haben als bisher bekannt. Um jedoch diese „neue und andere Konstruktionsweise“ an sich heran zu lassen, sollte man grundsätzlich offen sein, aufgrund einer anderen Fertigungstechnologie, altbekannte Herangehensweisen komplett über Bord zu werfen und einen neuen Weg zu gehen.

Denn wie die englische Abkürzung (DfAM = Design for additive Manufacturing) bereits ausdrückt, handelt es sich um eine Konstruktionsweise für die additive Fertigung.

Natürlich lassen sich auch „normal konstruierte“ Bauteile toll 3D-drucken, besonders wenn es um Prototyping geht. Dabei wird das zu fertigende Bauteil danach mit einem anderen Fertigungsverfahren (Fräsen/Gießen/Blechbiegen) hergestellt.

Ist das Ziel jedoch die additive Fertigung zu nutzen, um etwas besser zu machen oder 3D-gedruckte Lösungen herzustellen, ist es natürlich auch sinnvoll, genau die Vorzüge dieser Technologie zu nutzen.

Warum aber tun wir uns so schwer, additiv zu konstruieren?

Unwissenheit: Ein erster Grund ist natürlich die Unwissenheit. Woher soll der Konstrukteur denn wissen, wie 3D-Druck funktioniert und wie genau passend zur Technologie gestaltet werden soll? Wird also seither im CAD ein Volumenkörper nur extrudiert und rotiert, sozusagen das Bauteil aus viereckigen und runden Klötzen zusammengebaut und nur dort etwas „weggeschnitten“ wenn es entfernt werden muss, so sind andere Herangehensweisen meist nicht erlernt und bekannt.

Das falsche Werkzeug: Grund Nummer zwei ist, dass die CAD-Software, mit der das Bauteil digital entsteht, in der Grundausstattung meist nicht mit weiteren Werkzeugen für die additive Gestaltung ausgestattet ist. Mittlerweile gibt es einige additive Werkzeuge in den CAD-Programmen, die jedoch schwer zu bedienen und zu verstehen sind. Besonders werden die Werkzeuge nicht verstanden, weil vieles im Vorfeld bezogen auf die additive Denkweise in der additiven Gestaltung nicht geklärt ist. Wie wollen Sie zum Beispiel ein neues Werkzeug nutzen, wenn Sie nicht gelernt und verstanden haben, wie es angewendet werden kann?

Keine Erfahrung und kein Vertrauen: Besteht in einer konventionellen Fertigungstechnologie bereits Vertrauen und Erfahrung, wird oft versucht, das Erlernte auch in andere Bereiche zu übertragen. Hat also das Fräsen/Drehen von Bauteil-Klötzchen aus Metall seither immer hervorragend funktioniert und in der Anwendung durchgehalten, so ist das Vertrauen in leichtere und filigranere Bauteile aus anderen Werkstoffen wie Kunststoff grundsätzlich nicht da. Dabei war das Metallbauteil aufgrund des Denkansatzes, „Metall hat seither immer gehalten“ vielleicht weitaus überdimensioniert für die Anwendung.

Zusammengefasst: Es fehlt Wissen, die Denk- und Herangehensweise sowie Vertrauen und Erfahrung.

Das Tolle daran ist jedoch, die additive Gestaltung ist wesentlich einfacher zu erlernen als anfangs gedacht.

Stellen Sie sich vor, Sie können konstruieren, ohne dabei an ein Umspannen in der CNC-Maschine zu denken. Sie können Kühlkanäle um die Ecke bohren und Ihr Bauteil formen als wäre es aus Knetmasse. Genauer gesagt ein „vogelwildes Gestalten“ wird äußerst erwünscht.

Worauf sollte jetzt jedoch geachtet werden?

Vier wichtige aufeinander folgende Schritte die den Einstieg wesentlich einfacher machen:

• Der Kraftverlauf des Bauteils: Kommt ein großes Stück Flachstahl für eine verhältnismäßig kleine Anwendung zum Einsatz, ist die genauere Betrachtung des Kraftverlaufs meist unnötig. Sind die Anforderungen jedoch höher, ist der erste Blick auf den Kraftverlauf das Wichtigste überhaupt, um ein festes und steifes Bauteil zu fertigen. Genau dieser Kraftverlauf von Zug und Druck muss der Ursprung werden, denn genau daraus ergibt sich das Grundgerüst des Bauteils und sehr viele weitere Vorteile, die es zu nutzen gilt.

• Entfernen von überflüssigem Material: Wird das Beispiel mit dem Stück Flachstahl nochmal herangezogen, so ergibt sich daraus natürlich auch, dass überschüssiger Werkstoff in der Konstruktion entfernt werden kann, weil dieser Materialanteil keinen Nutzen hat sowie Kosten und Gewicht erzeugt, das gerne weggelassen werden kann. Sind solche überflüssigen Stellen am Bauteil einmal bekannt, ist das Erkennen von weiteren Stellen ein Kinderspiel. Das Entfernen von überflüssigem Material klappt jedoch nur wenn der Kraftverlauf bekannt ist, sonst wird das Bauteil ein Reinfall.

• Werkstoffauswahl: „Wer Kunststoff kennt, nimmt Stahl!“- hat mein Professor oft genug gesagt. Dies ist auch selbstverständlich, wenn man Metallguss lehrt und sich nur in einem Umfeld bewegt, das von schweren und massiven Bauteilen geprägt ist. Es geht jedoch immer häufiger darum, etwas leichter zu machen, günstiger herzustellen und Prozessschritte einzusparen, die Zeit kosten und ein Risiko in der Produktion darstellen. Viele Werkstoffe lassen sich heute schon in der additiven Fertigung verarbeiten. Wird der Fokus jedoch auf die vorherigen Schritte 1 und 2 gelegt, ist der Werkstoff Metall oft nur eine Möglichkeit von vielen Werkstoffen.

• Bonus Tipp - Innovationskraft: Gewichtsersparnis, Materialersparnis, passenderes Design und die Verwendung von anderen Werkstoffen ist nur das Folgeprodukt aus einem Perspektiven- und Technologiewechsel. Der wahre Kern liegt jedoch darin, eine 3D-gedruckte Lösung für das Problem entstehen zu lassen, das eine kleine Innovation beinhaltet. So kann z.B. aus mehreren Bauteilen ein einziges Bauteil entstehen, oder weitere Funktionen in das Bauteil integriert (eingedruckt/eingelegt) werden: Kühlkanäle schwingen Loopings, sind mit Schnappverschlüssen versehen und lassen Normteile wie Schrauben und Passstifte komplett wegfallen.

Nimmt man sich die additive Konstruktion zu Herzen und folgt der Reihe nach den 3 Schritten, so schlägt man 3 Fliegen mit einer Klatsche.

• 1. Einsparung von Zeit

• 2. Einsparung von Geld und

• 3. Die Stärkung der Innovationskraft.

Bestehen noch Unklarheiten bei der Konstruktion eines additiven Bauteils? Nehmen Sie einfach ein leeres Blatt Papier zur Hand und skizzieren Sie ein optimales Bauteil, ganz ohne die Grenzen herkömmlicher Konstruktions- und Fertigungsverfahren. Dabei beachten Sie die oben genannten Punkte. So lernen Sie, wirklich additiv zu konstruieren und die Potenziale der Technik zu nutzen.

Die Quintessenz ist nicht, dass additive Konstruktion schwer ist. Sie brauchen lediglich einen roten Faden, der Sie nicht in alte Denkmuster zurückwirft und Sie Schritt für Schritt zum Ergebnis leitet.

Mission Additive Kolumnist Johannes Lutz

Johannes Lutz war bereits 2014 neben seinem Maschinenbau & Wirtschaft Studium im technischen Vertrieb und der Anwendungsfindung für 3D-Druck aktiv und gründete dann 2016 das Unternehmen Mark3D GmbH. Dabei konzentrierte er sich gezielt auf den Vertrieb von 3D-Drucken für Betriebsmittel und Fertigungshilfen.

Da die Beratung von Unternehmen zum Thema 3D-Druck weiter zu nahm, traf er die Entscheidung sich hier klarer zu Positionieren und gründete 2019 die 3D Industrie GmbH. Heute hilft er Maschinenbauern um mit 3D-Druck erfolgreich zu starten und 3D-Druck-Dienstleistern mehr Druckaufträge zu generieren. Johannes Lutz ist Autor des Buches 3D-Druck Profi-Wissen und veröffentlicht jeden Dienstag eine neue 3D-Druck Podcast Folge.

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