Komplexe Geometrien fertigen: Wichtige Erkenntnisse & Best Practices

In der Fertigungswelt bezeichnet „komplexe Geometrien“ Bauteile mit dreidimensionalen Designs, die Merkmale wie Unterschnitte, Hohlräume oder komplexe interne Strukturen aufweisen. Komplexe Geometrien können rundere, organischere Strukturen abbilden – was sie historisch extrem schwierig oder teuer mit traditionellen Verfahren wie Gießen, CNC-Fräsen oder CNC-Drehen machte, die alle auf geraden Werkzeugen basieren, die Material abtragen.

Der Workaround: Bauteile aus mehreren Komponenten fertigen, die nach der Herstellung verschraubt oder gefügt werden. Diese zusätzlichen Fertigungsschritte treiben schnell Produktionskosten und Stückkosten in die Höhe.

Additive Fertigungsverfahren erweisen sich jedoch als weit effektiver für geometrisch komplexe Bauteile. Da additive Methoden Bauteile schichtweise durch Materialauftrag aufbauen, ermöglichen sie Ingenieuren und Designern die Fertigung involvierter Geometrien – sogar mit offenen Innenräumen – als Einzelstück.

Kosten, Zeit und Ressourcen durch additive Fertigung senken

Da additive Prozesse Bauteile aus dem constitutiven Materialzustand – Flüssigkeit oder Pulver – statt aus einem Materialblock erzeugen, lassen sich komplexe Geometrien mit höherer Effizienz, oft in einem einzigen Vorgang, fertigen.

Daher setzen diverse Märkte nun auf additive Fertigung für geometrisch komplexe Bauteile. Die FAA genehmigte 2015 das erste 3D-gedruckte Bauteil für kommerziellen Einsatz in Strahltriebwerken – seitdem nutzt die Luftfahrt additive Fertigung für Raketeninjektoren, Brennstoffdüsen und andere Strukturkomponenten, die Festigkeit erhöhen und Gesamtgewicht reduzieren.

Auch bestimmte Medizinimplantate und -geräte lassen sich additiv effizienter und kostengünstiger fertigen. Einige Gelenkersatzteile – künstliche Knie und Hüften – nutzen komplexe Gitterstrukturen zur Förderung der Osseointegration – Designs, die mit traditionellen Methoden höchst ineffizient oder unmöglich wären.

Geräte, die Schläuche für Luft- oder Flüssigkeitstransport benötigen, können additiv gefertigt werden – überflüssige Schläuche und Ventile entfallen durch Integration mehrerer Komponenten in ein Einzelbauteil. Solche Prozesse senken Kosten, Zeit und Ressourcen für Medizinprodukte.

Für die Fertigung funktionsfähiger, hochwertiger Bauteile mit komplexen Geometrien müssen Ingenieure mehrere Schlüsselfaktoren bewerten: Fertigungsverfahren, Produktionskosten, Designoptimierung.

Verfahren und Kosten der Fertigung

Traditionelle Fertigungsmethoden sind subtraktiv: Werkzeuge entfernen Material vom Rohling, um das Bauteil zu formen. Dies birgt inhärente Beschränkungen bei herstellbaren Bauteiltypen.

Bei traditionellen Methoden ist die Zeit für das Herausarbeiten komplexer Geometrien aus Materialblöcken direkt mit Produktionskosten verknüpft – besonders bei Metallbauteilen mit längeren Produktionszyklen.

Der Vorteil additiver Fertigungsprozesse: Sie kehren die Vorstellung um, dass geometrische Komplexität zwangsläufig höhere Kosten bedeutet. Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall: Da 3D-Druck Bauteile von Grund auf aufbaut, geht bei komplexen Geometrien weniger Material als Abfall verloren – was weniger Maschinenzeit und geringere Produktionskosten bedeutet.

Prototyping komplexer Geometrien

Die Prototyping- und Testphasen für komplexe Geometrien sind traditionell kostspielig. Additive Fertigung garantiert hingegen oft niedrige Einzelstückkosten von Beginn an – was Designer im Designzyklus entlastet.

Traditionelles Prototyping erfordert intensive Zeit- und Kosteneinsätze über den gesamten Designzyklus. Additive Fertigung ermöglicht schnelleres Prototyping mit größerer Designflexibilität.

Der additive Fertigungsunterschied

Bei geometrisch komplexen Bauteilen ist additive Fertigung in puncto Zeit, Ressourcen und Kosten weitgehend überlegen. Additive Prozesse beschleunigen Rapid Prototyping und End-to-End-Produktion – und senken damit Kosten.

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