Design for Additive Manufacturing (DfAM): Die moderne Produktion revolutionieren

Einer der spannendsten und vielversprechendsten Aspekte additiver Fertigungstechnologien (AM) ist ihr Potenzial, Designprinzipien für die Fertigung radikal zu verändern. Während sich 3D-Druck vom reinen Prototyping zum Serienfertigungsverfahren entwickelt, sind viele überzeugt, dass er ein neues Designparadigma einläutet – losgelöst von den Beschränkungen traditioneller Fertigungsprozesse.

Wenn man darüber nachdenkt, ist das vollkommen logisch. Die heute vorherrschenden Fertigungsverfahren basieren largely auf subtraktiven Methoden: Sie tragen Material von einem Rohling ab. Dieser Ansatz ist zwar präzise und für viele Anwendungen effektiv, bringt aber Designlimitierungen mit sich – etwa bei hohlen oder komplex strukturierten Bauteilen mit bestimmten Winkeln und Überhängen. Auch der Spritzguss, obwohl selbst kein subtraktives Verfahren, stützt sich bei der Formenherstellung largely auf subtraktive Prozesse wie CNC-Bearbeitung, sodass seine Designfreiheit ebenfalls durch diese limitiert wird.

Als additives Verfahren baut 3D-Druck Objekte Schicht für Schicht auf. Damit lassen sich komplexe interne Geometrien und Strukturen realisieren, solange sie unterstützt werden. Um diese neuen Designmöglichkeiten zu nutzen, wurde das Konzept „Design for Additive Manufacturing“ – kurz DfAM – entwickelt. Im Kern besteht DfAM aus einer Reihe von Designmethoden, die Performance, Fertigbarkeit und Kosten von Bauteilen für AM-Technologien adressieren. Obwohl sie noch in den Kinderschuhen stecken, schaffen DfAM-Tools bereits einzigartige Möglichkeiten in puncto optimiertes Bauteildesign, Leichtbaustrukturen und Materialreduzierung.

Was bringt DfAM?

Betrachtet man die konkreten Vorteile von DfAM, lassen sich drei Schlüsselbereiche identifizieren, in denen die AM-zentrierten Designtools den größten Impact haben: Designfreiheit, Bauteilkonsolidierung und Leichtbau.

• Designfreiheit

Beim 3D-Druck steht Designfreiheit immer an erster Stelle der Vorteile. Und tatsächlich ist sie eine der bedeutendsten Neuerungen, die die Technologie mitbringt. Auf grundlegender Ebene existiert DfAM bereits länger und ermöglicht es Machern und Herstellern, verschiedene Füllgrade und -strukturen zu integrieren, um den Druckprozess zu beschleunigen und Material zu sparen.

Der wahre Nutzen von DfAM liegt jedoch in der Kombination dieser Aspekte mit optimierter Performance. Die Fähigkeit, Bauteile mit komplexen internen Geometrien, ausgehöhlten Innenräumen und Gitterstrukturen zu designen oder generativ zu erstellen, ist für die Fertigungsindustrie bahnbrechend. Auch extern ermöglicht DfAM völlig neue Formen, die mit traditionellen Verfahren unmöglich wären.

• Bauteilkonsolidierung

Hersteller in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie – um nur zwei zu nennen – profitieren enorm von der additiven Fertigung bei der Bauteilkonsolidierung. Kurz gesagt: Die Produktionsmöglichkeiten der additiven Fertigung in Kombination mit DfAM erlauben es, Baugruppen neu zu denken und mehrere Komponenten in einem einzigen Bauteil zu vereinen.

Eines der berühmtesten Beispiele liefert das Luftfahrt-Startup Relativity Space, das mithilfe von 3D-Druck und DfAM eine Raketenmotor-Baugruppe von rund 100.000 Einzelteilen auf nur 1.000 reduzierte. Dank 3D-Druck und Konsolidierung wurde der Motor dramatisch günstiger und schneller zu produzieren.

• Leichtbau

Als Folge von Designfreiheit und Bauteilkonsolidierung finden Hersteller neue Wege, Designziele wie Gewichtsreduzierung zu erreichen. Mit fortschreitender DfAM-Software können Bauteildesigns sogar auf Basis von Performance-Anforderungen generiert werden, sodass Komponenten das geringstmögliche Gewicht bei gleichbleibender Festigkeit und struktureller Integrität aufweisen.

Die Fähigkeit, leichtere Bauteile zu designen – sei es durch teilhohle interne Geometrien wie Gitterstrukturen, durch Konsolidierung mehrerer Teile zu einem oder durch gänzlich neue Strukturen – ist entscheidend für effizientere Maschinen. In Fahrzeugen oder Flugzeugen führt Gewichtsreduktion zu besserer Kraftstoffeffizienz. Weniger Materialgewicht senkt auch die Materialkosten und macht die Produktion kostengünstiger.

Der Stand von DfAM heute

Heute sehen wir einen Zustrom an DfAM-Softwarelösungen – von generativem Design über Topologieoptimierung bis hin zu weiteren intelligenten Designfunktionen. Softwareentwickler wie nTopology, ParaMatters, Autodesk, Altair und andere bringen innovative Tools auf den Markt, die Herstellern nicht nur helfen, das Bauteildesign zu straffen – durch Automatisierung via generatives Design und Simulationsfähigkeiten –, sondern die echten Vorteile der additiven Fertigung bereits in der Designphase auszuschöpfen.

In dieser Phase beginnen Hersteller gerade erst, die Vorteile von AM und DfAM zu nutzen, da es sich um neues Terrain im Industriesektor handelt. Glücklicherweise gibt es viele AM-Experten und professionelle Dienstleister wie RapidDirect, die Unternehmen auf ihrem Weg zur Einführung additiver Fertigung durch die Erkundung von DfAM unterstützen können.

Heute sehen wir eine zunehmende Zahl von Erfolgsgeschichten, in denen Unternehmen ursprünglich traditionell gefertigte Bauteile mithilfe von DfAM und 3D-Druck neu konstruieren. In Zukunft werden DfAM-Software und additive Fertigung nur weiter an Verbreitung gewinnen.