Bionic Manufacturing: Herstellungstechnik für bionische Bauteile

Das Projekt »BIONIC MANUFACTURING« verfolgte die Entwicklung einer additiven Fertigungstechnik für die Bauteilherstellung nach biologischen Konstruktions- und Strukturierungsprinzipien am Beispiel eines Freischwinger-Stuhls. Im Rahmen des Vorhabens sollte sowohl das Selektive-Laser-Sintern (SLS) als auch das Maskensintern (SMS) zu einer Fertigungstechnik für biologisch inspirierte Bauteile weiterentwickelt werden.

Mit einer belastungsgerechten Geometrie und einer fein strukturierten, lokal variierenden Zusammensetzung des Werkstoffs sollten die Bauteile in ihrer äußeren Gestalt und in ihrer inneren Werkstoffstruktur biologischen Prinzipien folgen. Das Gesamtziel des Vorhabens war es, eine Technik zu entwickeln, die langfristig das Potenzial zu einer Basistechnologie für die Bionik hat. Diese soll in Zukunft die Herstellung bionischer Kunststoffbauteile und -produkte sowohl im gestalterischen als auch im technischen Bereich möglich machen und die Verfahrenswege bionischer Optimierungsmethoden ergänzen.

In der Bionik wird grundsätzlich ein technischer Erkenntnisgewinn verfolgt. Das Wissen aus der Beobachtung und Analyse biologischer Vorbilder lässt sich schließlich auf technische Systeme übertragen. Biologische Organismen erreichen ihre erstaunliche Leistungsfähigkeit in der Regel mit einer sehr begrenzten Auswahl unterschiedlicher Materialien (Opportunismusprinzip). Der Schlüssel hierzu liegt in der feinteiligen, belastungsgerechten und häufig hierarchischen Strukturierung der biologischen Werkstoffe, Strukturen und Konstruktionen. Ermöglicht wird diese skalenübergreifende Strukturierung durch ein »bottom-up« Bildungsprinzip. Eine solche geordnete, feinteilige Strukturierung, wie es die Natur vormacht, erreichen thermoplastische Kunststoffe aufgrund der ausschließlich stochastischen Verteilung von Füllstoffen, Kurzfasern oder Poren bei der klassischen Verarbeitung nicht.

SLS für bionische Fertigungstechnik

Die 3D-Drucktechnik Selektives Lasersintern (SLS) stellt räumliche Strukturen mit einem Laser aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff her. Das Bauteil entsteht hierbei, indem die einzelnen Kunststoffpartikel schichtweise lokal aufgeschmolzen und miteinander verbunden werden. Obwohl die Bauteile aus kleinsten Partikeln kontrolliert »zusammengesetzt« werden, erzeugt das SLS bisher nur Bauteile aus homogenen Kunststoffen oder Kompositen.

Durch die Beschränkung von SLS auf homogene Materialien wird viel Potential verschenkt. »BIONIC MANUFACTURING« dagegen hat dieses Potential durch die Erweiterung auf Mehrkomponenten SLS erschlossen und somit die Übertragung von Werkstoff- und Konstruktionskonzepten aus der Natur ermöglicht. Bisher gab es hierzu weder überzeugende systematische Untersuchungen noch gut funktionierende technische Umsetzungen.

Im Verlauf des Vorhabens konnte ein Freischwinger-Stuhl entwickelt und optimiert sowie eine funktionierende FEM-Simulation erarbeitet werden. Zudem wurde die bionische Gestaltung bzw. die Gitterstruktur des Stuhls unter Einsatz eines Materials verbessert und in Ansätzen druckfähiges Multimaterial erarbeitet. Die Forscher*innen von Fraunhofer UMSICHT bauten außerdem einen Versuchsstand für die Materialentwicklung und die Weiterentwicklung der Maschinentechnik.

Prototyp und SLS-Verfahren

Im Projekt wurden bionische Konstruktions- und Optimierungsprinzipien auf unterschiedlichen Längenskalen (Hierarchien) angewandt: In der makroskopischen (sichtbaren) Entwicklungslinie wurden optimierte Gitterstrukturen für einen Freischwinger-Stuhl. In der mikroskopischen (unsichtbaren) Entwicklungsline wurde das SLS so weiterentwickelt, dass Bauteile mit lokal veränderlichen oder gradierten Werkstoffcharakteristika generiert werden konnten. Dazu wurden die lokale Variation der Zusammensetzung und die lokale Aktivierung der Polymerpartikel sowie die Integration einer 2-Komponenten-Dosiertechnik in die bisherige SLS-Technik untersucht. Bei der lokalen Aktivierung der Polymerpulver wurden reaktive oder orientierbare Zusätze in die Polymere eingearbeitet. Einige Versuche konnten erfolgreich durchgeführt werden, andere erfordern künftig evtl. alternative Herangehensweisen.

Vorteile durch neuartigen Ansatz

Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen können mit dem neuen Verfahren durch die optimierte Strukturierung Material- und Gewichtseinsparungen sowie Ausgabensenkungen erzielt werden. Die Möglichkeit, kundenspezifische und bedarfsgerechte Produkte herzustellen, birgt darüber hinaus das Potenzial, preiswerte Einwegprodukte durch langlebige, individuelle Güter zu ersetzen.

• Fraunhofer UMSICHT (Entwicklung alternativer SLS-Materialien + Bau des ersten 3D-Drucker-Prototypen)
• Folkwang Universität der Künste (Formgebung des Freischwingers)
• Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM (bionischen Gestaltung des Stuhls)
• Sintermask GmbH (Entwicklung der Drucktechniken)
• rapid product manufacturing GmbH (Fertigung aller Probekörper für Materialtests)
• Athentics GmbH (strategisches Design des Stuhls)