Schlussbericht Bionic Manufacturing · 2015-11-13 · Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906...

Schlussbericht

Bionic Manufacturing Entwicklung einer generativen Fertigungstechnik für die Bauteilherstellung nach biologischen Konstruktions- und Strukturierungsprinzipien am Beispiel des Freischwingers

Förderkennzeichen 01RB0906 A, B, C, E, F

Förderzeitraum 06/2009 – 05/2012

Verbundpartner Ansprechpartner

Fraunhofer Umsicht Jan Blömer

rpm GmbH Jörg Gerken

Authentics GmbH Hendrik Flötotto

Industrial Design Folkwang Uni. der Künste Anke Bernotat

Fraunhofer IWM Raimund Jaeger

Sintermask GmbH Thomas Rechtenwald

Jan Blömer (Koordinator) Oberhausen, 30.11.2012

Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 2

Inhaltsverzeichnis

I Kurze Darstellung.............................................................................................................4 1. Aufgabenstellung ..........................................................................................................4 2. Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde .................................4 3. Planung und Ablauf des Vorhabens ...............................................................................6 4. Stand der Wissenschaft und Technik ..............................................................................6 5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen ...........................................................................11

II Eingehende Darstellung..................................................................................................12 1. Erzielte Ergebnisse .......................................................................................................12

1.1 AP 1 Potenzial bionischer Kunststoffprodukte (Authentics) ....................................12 1.1.1 Anforderungen an den Bionischen Freischwinger (AP 1.1) ..............................12 1.1.2 Normen/Regularien (AP 1.2) ..........................................................................15 1.1.3 Lastenheft Freischwinger BIONA (AP 1.3) .......................................................16 1.1.4 Technisch-Ökonomische Bewertung (AP 1.4) .................................................21 1.1.5 Marktanalyse bionischer Kunststoffprodukte (AP 1.5) ..........................................24

1.2 AP 2 Bionische Konstruktionen (Folkwang)............................................................27 1.2.1 Recherche Analyse biologischer Vorbilder (AP2.1, PBG, Freiburg) ....................27 1.2.2 Ansatzpunkte für bionisches Design (AP 2.2)..................................................34 1.2.3 Erstellung, Fortschreibung Gestaltungsregeln (AP 2.3) ....................................34 1.2.4 Erstellung, Fortschreibung Pflichtenheft (AP 2.4) ............................................39 1.2.5 Kontextanalyse zu Technik und Material (AP 2.5) ...........................................39 1.2.6 Kontextanalyse zu Trends, Markt, Wettbewerb (AP 2.6) .................................41 1.2.7 Kontextanalyse zu Ergonomie/Nutzerverhalten (AP 2.7) ..................................42 1.2.8 Gestaltungsideen und -Konzepte (AP 2.8) ......................................................43 1.2.9 Umsetzung Entwürfe und Designmodelle (AP 2.9)..........................................49 1.2.10 Methodik, die den Designprozess bionischer Produkte anhand einer Bottom-up-

Vorgehensweise unterstützt ........................................................................................52 1.2.11 FEM Simulation Stuhl (AP 2.10, Fraunhofer IWM) ...........................................54 1.2.12 Definition Belastungskörper (AP 2.11, Fraunhofer IWM) .................................54

1.3 AP 3 Bionische Strukturierung (Fraunhofer IWM) ...................................................55 1.3.1 Identifikation biologischer Vorbilder (AP 3.1) ..................................................55 1.3.2 Entwurf bionischer Elementarzellen (AP 3.2) ..................................................56 1.3.3 Variationsparameter Geometrie (AP 3.3) ........................................................56 1.3.4 Variationsparameter Materialeigenschaft (AP 3.4) ..........................................57 1.3.5 Zusammenfügen der Elementarzellen (AP 3.5) ...............................................57 1.3.6 Simulation des homogenen Probekörpers (AP 3.6) .........................................57 1.3.7 Experimentelle Validierung (AP 3.7) ...............................................................58 1.3.8 Simulation gradierte Probekörper (AP 3.8) .....................................................58 1.3.9 Beratung, vergleichende Berechnungen durch das KIT (AP 3.9) .......................58

1.4 AP 4 Kooperative Optimierung (IWM) ...................................................................63 1.4.1 Homogenisierung der Zelleigenschaften für geradlinige Strukturen (AP 4.1) ....63 1.4.2 Homogenisierung der Zelleigenschaften für gekrümmte Strukturen (AP 4.2) ...63 1.4.3 Simulation des gradierten Stuhls (AP 4.3) .......................................................63 1.4.4 Optimierungslauf des gradierten Stuhls (AP 4.4) .............................................65 1.4.5 Simulation und Optimierung gradierter Stuhl (AP 4.5, AP 4.6) ........................65 1.4.6 Vergleich Prototyp und Simulation (AP 4.7) ....................................................65

1.5 AP 5 Eigenschaftsvariable Sinterpulver (UMSICHT) .................................................66 1.5.1 Untersuchung von Polymerblends und Kompositen (AP 5.1 – AP 5.5) .............66 1.5.2 Untersuchung von Polymer-Partikel-Systemen (AP 5.6 – AP 5.8) .....................68 1.5.3 Aktivierbare Zusätze (AP 5.9 – AP 5.12) .........................................................70 1.5.4 Herstellung eines Polymers (AP 5.13, 5.14, 5.15) ............................................71 1.5.5 Prüfen des Nachhaltigkeitsaspekts (AP 5.16) ..................................................72

1.6 AP 6 Verarbeitungstests und Werkstoffprüfung (UMSICHT) ...................................74 1.6.1 Herstellung der Versuchsapparatur (AP 6.1, 6.2) ............................................74


1.6.2 Sinterverhalten im Sintermask Teststand (AP 6.3) ...........................................76 1.6.2.1 Versuche bei rpm ......................................................................................76 1.6.2.2 Versuche bei Umsicht ................................................................................78

1.6.3 Versuche in der Sinterstation 2000 (AP6.4) ....................................................85 1.6.4 Werkstofftests (AP 6.5- 6.8) ..........................................................................85 1.6.5 Dynamische Werkstoffprüfung (AP 6.9 Fraunhofer IWM)................................87

1.7 AP 7 Weiterentwicklung Maschinentechnik (Sintermask) .......................................87 1.7.1 Fortschreibung des Pflichtenhefts (AP 7.1, Umsicht) .......................................87 1.7.2 Mehrkomponenten-Dosierung mit Pulverdüsen (AP 7.2, 7.3, Umsicht) ............88 1.7.3 Mehrkomponenten-Dosierung mit Drucktechnik (AP 7.4, 7.5) ........................92 1.7.4 Parameterbeeinflussung durch Variation der Laserleistung (AP 7.6) .................93 1.7.5 Einsatz von Feldkräften zur Partikelbeeinflussung (AP 7.8 und 7.9) .................94 1.7.6 Lieferung Materialprüfstand (AP 7.10) ...........................................................94 1.7.7 Anpassung des Powder-Shuttle-Systems (AP 7.11) .........................................96 1.7.8 Partikelausrichtung im Pulverbett (AP 7.12) .................................................. 100

1.8 AP 8 Produktionstechnik bionischer Kunststoffprodukte mittels SLS (rpm) ............ 100 1.8.1 Lastenheft aus Nutzersicht (AP 8.1) .............................................................. 100 1.8.2 Herstellung von Prüfkörpern (AP 8.2) ........................................................... 101 1.8.3 Herstellung von Elementarzellen (AP 8.3) ..................................................... 102 1.8.4 Herstellung von Prüfkörpern aus Elementarzellen (AP 8.4) ............................ 103 1.8.5 Herstellung makrostrukturierter Bauteile (AP 8.5) ......................................... 105 1.8.6 Verarbeitungstests mit Kompositen (AP 8.6)................................................. 107 1.8.7 Verarbeitungstests mit aktivierbaren Pulvern (AP 8.7) ................................... 108 1.8.8 Herstellung poröser Strukturen (AP 8.8) ....................................................... 108 1.8.9 Herstellung Demonstrator ........................................................................... 109 1.8.10 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung (AP 8.9) ....................................................... 111 1.8.11 Qualität und Stabilitätsbetrachtung (AP 8.10) ............................................... 113

2. Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit ............................................................. 115 3. Fortschritt bei anderen Stellen ................................................................................... 116 4. Veröffentlichungen ................................................................................................... 117


I Kurze Darstellung

1. Aufgabenstellung

Biologische Organismen erreichen ihre erstaunliche Leistungsfähigkeit in der Regel mit nur 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 skalenüber-

greifende Strukturierung durch ein bottom-up Bildungsprinzip. Demgegenüber dominieren bei

der Verarbeitung technischer Werkstoffe bis heute top-down Fertigungstechniken, in der Form

von Gießverfahren oder zerspanender Werkstückbearbeitung.

Bei thermoplastischen Kunststoffen werden vor allem Extrusion, Spritzgießen und Halbzeugzer-

spanung eingesetzt. Eine innere Strukturierung kann nur sehr begrenzt durch die stochastische

Verteilung von Füllstoffen, Kurzfasern (Komposite) oFder Poren (Schäume) erreicht werden.

Anisotrope (richtungsabhängige) Strukturierungen lassen sich bisher nur makroskopisch - durch

Langfasern - umsetzen. Im Gegensatz zu diesen konventionellen Techniken stehen die seit Mitte

der 90er Jahre zunächst als Rapid-Prototyping-(RP)-Techniken etablierten Verfahren, bei denen

das Bauteil »Schicht-für-Schicht« aufgebaut wird. Sie bieten aufgrund ihrer generativen Herstel-

lungsweise das Potenzial für eine neue bionische Fertigungstechnik, die sich an den biologischen

Bildungsprozessen und den mit ihnen darstellbaren Strukturen und Konstruktionen orientiert.

Eine der am weitesten entwickelten RP-Techniken ist das Selektive Laser Sintern (SLS). Hierbei

werden Bauteile hergestellt, indem mithilfe eines Laserstrahls Kunststoffpartikel lokal aufge-

schmolzen und miteinander verbunden werden. Dieser formfreie Prozess erlaubt Geometrien,

Hinterschneidungen und innere Strukturen, die durch Zerspanungs- oder Gießprozesse nicht

erreicht werden können. Das Potenzial des SLS in Bezug auf die Übertragung biologischer Werk-

stoff- und Konstruktionskonzepte ist aber bis heute weder systematisch untersucht noch tech-

nisch umgesetzt worden. Dieses Ziel verfolgt das beantragte Projekt.

Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer biologisch inspirierten Fertigungstechnik

sowie die Darstellung ihrer Leistungsfähigkeit an einem exemplarischen bionischen Bauteil. Die-

ses Ziel wird unter folgenden Prämissen umgesetzt:

Die Fertigungstechnik verfolgt einen bottom-up Ansatz.

Sie ermöglicht die aufeinander abgestimmte Optimierung von äußerer Form

und innerer Nano-/Mikrostruktur.

Das bionische Bauteil besitzt in Ästhetik und Mechanik biologische Vorbilder.

Technische Ausgangsbasis für die Entwicklung sind das Selektive Lasersintern und das

Maskensintern.

Anwendungsgebiet sind Kunststoffbauteile und -produkte.

2. Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde

Das in diesem Projekt beteiligte Konsortium wurde gezielt auf die Bedürfnisse zur Durchführung

eines bionischen und interdisziplinären Projekts abgestimmt und bildet die komplette Wert-

schöpfungskette »vom biologischen Vorbild bis zum technischen Produkt« ab: In der Natur er-

streckt sich die Strukturierung der Materialien über viele Längenskalen. In diesem Projekt soll

dies auf zwei Skalen nachgebildet werden:


Bild 1: Projektstruktur Bionic Manufacturing nach der Umstrukturierung

In der mikroskopischen Linie soll sich die Materialzusammensetzung innerhalb des Bauteils flie-

ßend ändern, um Gradientenwerkstoffe zu erzeugen. In der makroskopischen Linie sollen Netz-

und Gitterstrukturen erzeugt werden, die eine optimale Anpassung des Bauteils an die Belas-

tung erzielen.

Aufgabe der Plant Biomechanics Group Freiburg (PBG-F) und des KIT war, für beide technischen

Ansätze biologische Vorbilder zu identifizieren, zu analysieren, zu bewerten und auszuwählen.

Der mikroskopische Ansatz, der von Fraunhofer UMSICHT verfolgt wird, erfordert sowohl die

Entwicklung zueinander kompatibler Sintermaterialien als auch eine Erweiterung der Maschinen-

technik, da es bisher noch keine Sintermaschinen gibt, die mehrere Materialien gleichzeitig ver-

bauen können.

Die zellulären Strukturen des makroskopischen Ansatzes lassen sich auf modernen SLS-

Maschinen bereits heute fertigen. Hier ist der von Fraunhofer IWM verfolgte Ansatz, eine nume-

rische Optimierung der Zellanordnung zu erreichen. Hierzu werden Ersatzmodelle zur effizienten

Berechnung dieser Strukturen entwickelt. In diesen Modellen werden die Zellstrukturen nicht

mehr geometrisch detailliert berechnet, sondern die parametrisierten Zellen werden als ein fikti-

ves homogenes Material, dessen Eigenschaften sich aus der Zellstruktur ableiten lassen, berech-

net.

Die Aufgabe von Folkwang ist es, abstrahierte Erkenntnisse, die sich auf makroskopische Kon-

struktionen beziehen, aus der Analyse biologischer Vorbilder zusammengetragen. Vor allem sind

solche Erkenntnisse von Interesse, die für die sichtbare Gestalt des Demonstrators »Freischwin-

ger« genutzt werden können, um den bionischen Ansatz des Projekts zu transportieren. Des

weiteren soll ein Regelkatalog erstellt werden, der den Designprozess sinnvoll unterstützt, aber

ihm ausreichende gestalterische Freiheiten lässt.

Der Partner rpm ist seit vielen Jahren ein am Markt etablierter Lieferant von SLS Bauteilen und

stellt in dem Projekt sein Wissen und seine Erfahrung zum klassischen Lasersintern zur Verfü-

gung. Darüber hinaus fertigt rpm alle Probekörper für Materialtests bei Fraunhofer IWM und

produziert schließlich zum Projektabschluss den Freischwinger-Stuhl, der als Demonstrator in

dem Projekt dient.

Die Firma Sintermask hat mit dem Maskensintern ein neues, dem SLS verwandtes generatives

Verfahren entwickelt, dass große Geschwindigkeitsvorteile gegenüber dem SLS erwarten läßt.

Im Projekt untersucht Sintermask inwieweit dieses Verfahren auch für das Bionic Manufacturing

genutzt werden kann.

Der Partner Authentics liefert die praktischen Anforderungen an den Stuhl und die nötige

Marktkenntnis und Erfahrung bei der Entwicklung neuer Möbelstücke.


Tabelle 1: Meilensteinplanung

Meilenstein Evaluierungskriterien

M1 (nach 18 Monaten) Auswahl von bis zu drei für die weitere technische Entwicklung geeigne-

ter Stoffsysteme, Nachweis der erreichbaren Kompositstruktur und der

Variation in den Werkstoffeigenschaften

Vorstellung geeigneter bionischer Elementarzellen

M2 (nach 24 Monaten) Vorliegen eines belastbaren Detail Engineering für die technische Umset-

zung des Bionic Manufacturing

3. Planung und Ablauf des Vorhabens

Die Durchführung des Vorhabens verlief in enger Abstimmung der Partner untereinander. Die

Arbeitsteilung und Zeitplanung fand gemäß des im Forschungsantrag vorgeschlagenen Projekt-

zeitplans statt (Bild 1). Bereits zu Beginn hat der Partner MTT, der für die maschinentechnische

Umsetzung zuständig war, das Projekt verlassen. Hierfür wurden im Wesentlichen lizenzrechtli-

che Gründe angeführt, die einer Verwertung der in dem Projekt erarbeiteten Ergebnisse entge-

genstehen würden.

MTT sieht aufgrund der unternehmensspezifischen Wettbewerbssituation keine Möglichkeit, das

Projekt durchzuführen. Die von MTT dazu gegebenen Erläuterungen werden von den übrigen

Projektpartnern nicht geteilt.

Die Firmen Sintermask und LSS haben gemeinsam mit Fraunhofer UMSICHT die Arbeitspakete

von MTT übernommen. Da der Partnerwechsel zu einem sehr frühen Zeitpunkt erfolgte, bei dem

alle Partner noch sehr unabhängig voneinander arbeiten konnten, wurde hierdurch der Arbeits-

ablauf der anderen Partner nicht beeinträchtigt. Durch die Umstrukturierung des Konsortiums

kam es zeitweise zu einer Verzögerung im Zeitplan, die aber bis zum Ende der Projektlaufzeit

vollständig aufgeholt werden konnte.

Deshalb blieb auch die ursprüngliche Meilensteinplanung beim Umbau des Konsortiums erhalten

(Tab 1).

Während der Projektlaufzeit gab es regelmäßige, gemeinsame Projekttreffen aller Partner; hier-

bei wurden Zwischenergebnisse vorgestellt, fachlich diskutiert und das weitere Vorgehen abge-

stimmt. Darüber hinaus wurden bei Bedarf bilaterale Treffen mit einzelnen Partnern, insbesonde-

re den Anwendern, zur Diskussion von Detailproblemen durchgeführt.

4. Stand der Wissenschaft und Technik

Es ist bekannt, dass biologische Materialien ihre überlegenen Materialeigenschaften aus einer

feinteiligen Strukturierung, die über mehrere Längenskalen ausgedehnt sein kann, schöpfen.

Dies wird heutzutage vielfältig untersucht.1 Beispiele hierzu sind der Aufbau von Nagetierzähnen

und der Glasschwamm. (Weitere Beispiele in Kap. II.1.2 AP 2.1) Der Glasschwamm zeigt eine

sehr regelmäßige Anordnung der Gitterstruktur seines Käfigs. Jede Faser ist wieder aus einzel-

nen Fasern aufgebaut, die selbst wiederum schalenförmig strukturiert sind (Bild 2). Am Beispiel

der Feinstruktur des Zahnschmelzes von Nagetieren lässt sich erkennen, wie ideal die Strukturop-

tionen auf die Belastung angepasst sind. Durch Kombination von Radialschmelz (RS), der die

Normalkräfte auf die vordere Nagezahnkante aufnimmt, und sogenannten Hunter-Schräger-

Bändern (HSB), die diese Kräfte im 45°-Winkel auf die Dentinbasis (D) umleiten, wird sicherge-

stellt, dass die dünne Schmelzschicht nicht abplatzen kann (Bild 3).

1 P. Fratzl, R. Weinkamer: Nature’s hierarchical materials, Prog. Mat. Sci. 52 (2007) 1263-1334


Bild 2: Strukturanalyse des Glasschwamms1

Bild 3: Schnitt durch die Spitze eines Nagetierzahns Bild 4: Schnitt durch einen Knochen

Beispielhaft für die innere Strukturierung sei an dieser Stelle der Aufbau des menschlichen Wir-

belknochens genannt (Bild 4). Das spongiöse Innere des Knochens wird aus sogenannten Trab-

ekeln gebildet, die entsprechend der Hauptspannungsrichtungen bei typischen mechanischen

Belastungen ausgerichtet sind. Sie bestehen aus Kollagen, in dem speziell orientierte Kalzium-

phosphat-Nanopartikel eine wichtige Rolle für die Belastungsfähigkeit des Knochens überneh-

men.

Generative Fertigungsverfahren bieten die Möglichkeit, komplexe Strukturen herzustellen. Ein

häufig gewünschter Weg ist, eine Mikrostrukturierung innerhalb eines größeren Bauteils zu

verwenden, da hierdurch Gewicht eingespart werden kann. Eine gleichmäßige Mikrostrukturie-

rung (im Sinne vom Anteil des ausgefülltem Volumen) nutzt meistens nicht das Potenzial der

Leichtbauweise aus, da in mechanisch hoch belasteten Bereichen mehr Material benötigt wird,

um eine erhöhte Tragfähigkeit erzielen zu können. Häufig kann mit wenig zusätzlichem Materi-

aleinsatz in den belasteten Bereichen gegenüber einer überall gleichen Mikrostruktur die Festig-

keit und/oder Steifigkeit des Bauteils deutlich erhöht werden.

Gleichzeitig ist eine mechanische Bewertbarkeit des mikrostrukturierten Bauteils wünschens-

wert. Die Verfahren der generativen Fertigung werden jedoch überwiegend für kleine Stückzah-

len eingesetzt. Aus diesem Grunde ist eine Fertigung zusätzlicher Bauteile für eine mechanische

Prüfung unwirtschaftlich. Es wird daher ein computergestütztes Verfahren für die Bewertung/

Vorhersage der mechanischen Eigenschaften eines entsprechend mikrostrukturierten Bauteils

gewünscht.

Es gibt bisher kein bekanntes Verfahren, das alle diese Anforderungen erfüllt: Für die Mikro-

strukturierung größerer Bauteile gibt es kommerzielle Software z. B. netfabb Studio 2. Diese er-

möglicht aber keine mechanische Anpassung der Mikrostruktur an eine zu erwartende Belas-

tung. Ebenfalls wird keine Berechenung der mechanischen Eigenschaften des mikrostrukturier-

ten Bauteils angeboten.

2 netfabb GmbH, Lupburg.


Bild 5: Werkstoffe für generative Verfahren (nach Elsner, Fraunhofer IPK)

Eine Anpassung der Mikrostruktur an mechanische Belastungen bietet Fraunhofer IFAM an.3

Diese orientiert sich an biologischen Vorbildern. Es entsteht dabei aber keine regelmäßige Struk-

tur, die sich leicht bewerten ließe. Die mechanische Auslegung von Bauteilen wird z. B. über

Finite Elemente Analysen (FEA) durchgeführt. Diese ist für eine Mikrostruktur häufig ungeeignet,

da diese Struktur im Modell exakt nachgebildet werden muss, was zu impraktikablen Rechenzei-

ten führt.

Das Spritzgießen ist heute die wichtigste Technik zur Herstellung von Kunststoffbauteilen.

Es wird vor allem für Großserien eingesetzt, da die erforderlichen formgebenden Werkzeuge

aufwendig hergestellt werden müssen. Die Kosten komplexer Formwerkzeuge betragen bis zu

1 Mio. € und lassen sich nur durch hohe Stückzahlen der spritzgegossenen Produkte amortisie-

ren. Dies widerspricht aktuellen Trends nach einer nutzerspezifischen Anpassung der Produkte.

Weiterhin erlaubt das Spritzgießen nur eine begrenzte Designfreiheit.

Vor dem Hintergrund der notwendigen Entformung der Bauteile sind z. B. Hinterschneidungen

nur sehr eingeschränkt möglich. Obwohl durch Mehrkomponentenspritzgießen und integrierte

Beschichtungsprozesse (In-Mould-Coating) Werkstoffverbünde erzeugt werden können, errei-

chen diese nicht annähernd die Komplexität und den Miniaturisierungsgrad, wie sie in einem

biologischen Organismus existieren.

Für die individuelle Fertigung von Bauteilen sind in den vergangenen 20 Jahren sogenannte Ra-pid Prototyping Verfahren entwickelt worden. Es wurden unterschiedliche Varianten für ver-

schiedenste Materialien entwickelt. Allein für Kunststoffe - Metalle und Keramik, die in diesem

Projekt nicht betrachtet werden außer Acht lassend - existieren viele verschiedene Verfahren: Als

Ausgangsstoff kommen feste, flüssige oder sogar gasförmige Stoffe zum Einsatz.4 (Bild 5).

Einige dieser Verfahren können bereits heute mehrkomponentige Bauteile erzeugen: Fused De-

position Modeling (FDM) Anlagen haben mehrere Extruderköpfe, allein um ggf. ein Stützmateri-

al zusätzlich zum Baumaterial drucken zu können, das nachher vom fertigen Bauteil abgewa-

schen werden kann. Die Firma Objet bietet Drucker nach dem Tintenstrahlverfahren an, bei dem

lichthärtende Polymere gleichzeitig selektiv versprüht werden können. Hierdurch erhält man

mehrkomponentige, mehrfarbige Bauteile mit einer sehr hohen Oberflächenqualität. Die mit

diesen Verfahren erzeugten Bauteile sind aber in der Regel nur Anschauungs- und keine Ge-

brauchsmodelle, da die erforderliche Festigkeit und Langzeitstabilität nicht erreicht werden.

3 Presseinformation Fraunhofer IFAM Knochen aus Metall 4 A. Gebhard: Generative Fertigungsverfahren, Hanser 2007


Bild 6: Prozess des Selektiven Lasersinterns (hier Prinzip Fa. EOS) –

schichtweises generatives Wachstum des Bauteils; rechts: Produk-

tionshallen der Fa. FKM Sintertechnik.

Bild 7 : DSC Analyse eines typischen SLS Materials (PA12)

Das Selektive Lasersintern (SLS) zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass Bauteile er-

zeugt werden können, die nahezu die Gebrauchseigenschaften von Spritzgussbauteilen errei-

chen. Lediglich die Oberflächenqualität wird nicht erreicht, da die Oberflächen wegen des an-

haftenden, angesinterten Pulvers immer matt und rau sind. Aufgrund der erreichbaren guten

mechanischen Kennwerte werden dem SLS am ehesten die Chancen eingeräumt, den Schritt

vom reinen Prototyping hin zu einer (Klein-) Serienproduktion (Rapid Manufacturing) zu schaf-

fen. Beispielsweise kommen in hochwertigsten PKW, die in kleinsten Stückzahlen hergestellt

werden, bereits Lasersinterbauteile standardmäßig zum Einsatz.5

Demgegenüber stehen die Nachteile einer sehr komplexen und empfindlichen Prozessführung,

die Einschränkung in der Materialauswahl und die Tatsache, dass nur Bauteile, die aus einem

Material bestehen, erzeugt werden können. Das Material selbst kann eine homogene Mischung

aus mehreren Komponenten sein, dessen Mischungsverhältnis im gesamten Bauteil jedoch

gleich ist.

Beim selektiven Lasersintern wird zunächst eine dünne Pulverschicht (0,1mm) im Bauraum aus-

gestrichen. Hierzu werden Rakel (Fa. EOS) oder Walzensystem (Fa. 3D Systems) verwendet. In

dieser Schicht bringt ein geführter Laserstrahl gezielt die Stellen zum Schmelzen, wo das Bauteil

entstehen soll. Danach senkt sich die Bauplattform ab, eine neue Pulverschicht wird aufgetragen

und der Prozess beginnt von vorn, bis das Bauteil Schicht für Schicht erzeugt worden ist. (Bild 6)

Diese flächige Pulverauftragstechnik kann immer nur ein einheitliches Pulver auf der ganzen

Schicht auftragen, daher existiert noch keine Mehrkomponenten-SLS. Ein weiterer Faktor ist,

dass an das Aufschmelzverhalten der Polymere sehr spezielle Anforderungen gestellt werden:

Das Bauteil muss während des gesamten, viele Stunden dauernden Prozesses schmelzeflüssig

gehalten werden. Wenn das Bauteil partiell abkühlt, sich verfestigt und das Material kristallisiert,

führt das lokale Schrumpfen zu einem sehr starken Verzug der Bauteile. Deshalb ist ein soge-

nanntes Sinterfenster notwendig. In diesem Temperaturbereich können das pulverförmige Aus-

gangsmaterial und das geschmolzene Material gleichzeitig existieren (Metastabiler Bereich, ca.

172°C bei PA12). Beim Sintern verschiedener Materialien müssen sich diese Sinterfenster über-

lappen.

Das Sintermask-Verfahren wurde ursprünglich in Schweden entwickelt. Wie bei SLS-Anlagen

wird eine Pulverschicht durch einen Rakel, Schieber oder Rolle auf das Pulverbett aufgestrichen.

Die Belichtung erfolgt hier jedoch nicht durch einen abgelenkten Laserstrahl, sondern auf der

ganzen Fläche gleichzeitig durch Halogenstrahler. Die Bauteilgeometrie wird durch eine variable

Maske im Strahlengang festgelegt. Diese Maske wird durch ein Elektrophotografieverfahren

(Laserdrucker) auf einer Glasplatte für jede Schicht neu erzeugt.

5 S. Kegelmann, Kegelmann Technik GmbH; Lasersinterteile im Maybach von Daimler, Vortrag auf dem

IPA Anwenderforum September 2012


b33

(M. Breuer, 1920)

mr20

(M. v. d. Rohe)

Panton-chair

(V. Panton, 1960)

Myto

(K. Grcic, 2007)

Bild 8: Historische Entwicklung des Freischwingers

Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass jede Schicht, unabhängig vom Füllgrad, gleich schnell

belichtet werden kann. Dies führt zu Materialeigenschaften, die vergleichbar mit spritzgegosse-

nen Bauteilen sind.6,7Nachteile des Verfahrens sind, dass die Maske beim Schattenverfahren sehr

dicht über das Pulverbett bewegt werden muss, um scharfe Abbildungen zu erhalten, wodurch

große thermische Unterschiede auf die Maske wirken, sobald sie zwischen dem geheizten Bau-

raum und der Druckerkammer hin- und herbewegt wird. Zudem muss die Maske bei geringem

Füllgrad in der Schicht hohe Strahlungsleistungen aufnehmen und abführen. Deshalb konnte

sich das Verfahren nicht kommerziell durchsetzen. Mit der Übernahme der Sintermask-

Technologie durch die Firma FIT GmbH wird nun ein neuer Ansatz verfolgt: Das Schattenverfah-

ren wird nicht mehr angewandt, stattdessen ist die Maske unabhängig neben dem Bauraum

angeordnet und die Abbildung auf die Pulveroberfläche erfolgt durch eine Spiegeloptik. Die

Maske wird nun ebenfalls auf einem Spiegel erzeugt, der rückseitig gekühlt werden kann, um

überschüssige Leistung abzuführen. Darüber hinaus hat Sintermask eine alternative Pulverauf-

tragstechnik entwickelt (Powder Shuttle). Hierbei wird zunächst wesentlich mehr Pulver auf den

Bauraum aufgebracht. Anschließend wird die Höhe der Bauplattform eingestellt und dann mit-

hilfe eines Schwerts das überschüssige Pulver wieder abgetragen. Hierdurch können auch

schlechter fließfähige Pulver als mit den üblichen Systemen aufgetragen werden.

Die Gestaltung eines Stuhls ist seit jeher die Königsdisziplin im Design. Ziel dabei ist, eine har-

monische Synergie von Gebrauch, Materialität, technischer Umsetzbarkeit und kulturellen Wert-

vorstellungen zu erzielen. Oder, wie es Peter Smithson8 formulierte: »Man könnte behaupten,

dass wir bei der Entwicklung eines Stuhls eine Gesellschaft und eine Stadt im Kleinen formen.«

In den 1920-er Jahren von Mart Stam, Marcel Breuer und Ludwig Mies van der Rohe entwickelt,

bestand das Konstruktionsprinzip des Freischwingers darin, gebogene Stahlrohre als tragende

Struktur mit Sitz- und Rückenlehnen aus flexiblen Materialien wie Eisengarn, Rohrgeflecht oder

Leder zu kombinieren (Bild (). Später kamen weitere Varianten - beispielsweise aus Bugholz (z. B.

Alvar Aalto) und Aluminium (Marcel Breuer) - hinzu. Der von Verner Panton 1960 entwickelte

Panton-Stuhl war der erste spritzgussgeformte Kunststoff-Freischwinger, der aus nur einem Ma-

terial bestand und nur mit einer Form gefertigt wurde. Erst 2007 entwarf Konstantin Grcic mit

dem Stuhl Myto aus Ultradur® High Speed (PBT) einen zweiten Kunststoff-Freischwinger, der

diesen Kriterien entspricht. Einen im SLS-Verfahren hergestellten Kunststoff-Freischwinger gibt

es bis dato noch nicht.

6 Florian Kühnlein u. a., Ganz ohne Form und Werkzeug, Plasteverarbeiter, Nr. 9 (2008): 70–72.

7 Florian Kühnlein, Dominik Rietzel, und Dietmar Drummer, Untersuchung der richtungsabhängigen me-

chanischen Eigenschaften und Bruchursachen maskengesinterter PA12-Bauteile, Zeitschrift Kunststoff-technik / Journal of Plastics Technology, Nr. 2 (2012): 106. 8 Zitiert nach: Hauffe, Thomas: Sitzen und Design - Der Stuhl als Manifest. In: Eickhoff, Hajo: Sitzen. Eine

Betrachtung der bestuhlten Gesellschaft. Frankfurt am Main, 1997.


5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Beim Aufbau des Lasersinterversuchsstands wurde Fraunhofer Umsicht vom Fraunhofer Institut

für Lasertechnik, Aachen beraten. Dadurch konnte der Aufbau des Versuchsstands deutlich be-

schleunigt werden. Bei der Suche nach alternativen Pulverdosiertechniken wurde auch die Dicht-

stromfördertechnik untersucht. Die Fa. Nordson, Erkrath stellte Fraunhofer UMSICHT hierzu 2

Versuchstage in ihrem Technikum zur Verfügung. Die untersuchten TPU-Typen wurden Fraun-

hofer UMSICHT von Bayer Material Science, Dormagen zur Verfügung gestellt.


II Eingehende Darstellung

1. Erzielte Ergebnisse

1.1 AP 1 Potenzial bionischer Kunststoffprodukte (Authentics)9

1.1.1 Anforderungen an den Bionischen Freischwinger (AP 1.1)

Der erste Schritt, die Definition genauestens zu beleuchten, ist unumgänglich. Was genau sind

bionische Kunststoffprodukte? Wie lautet die Definition? Was sind die Anforderungen? Gibt

man Bionik als Suchbegriff bei Google ein, erscheint eine Fülle von Interpretationen, wobei aber

ein gutes Drittel die Definition völlig falsch darstellt. Daher vorab die Begriffserklärung Bionik:

Ein bionisches Produkt muss folgende Kriterien erfüllen:

Am Anfang muss ein biologisches Vorbild stehen

Bionik bedeutet das Lernen von der Natur für die Technik/das Produkt

Es bedarf der Abstraktion und Übertragung in die technische Anwendung

Es muss die Nachhaltigkeitskriterien erfüllen

Bionik verbindet Biologie und Technik mit dem Ziel, durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die durch interdisziplinäre Zusammenarbeit an biologi-schen Vorbildern gewonnen werden, technische Fragestellung zu lösen. 10.

Die Anforderungen werden hier in vier verschiedene Bereiche aufgeteilt:

Anforderungen des Endkunden

Anforderungen des Fachhändlers

Anforderungen des Herstellers

Anforderungen des Gesetzgebers

Die ersten beiden Anforderungen sind reine Anforderungen des Marktes, und die letzten beiden

beziehen sich mehr auf die technisch-ökonomischen sowie gesetzlichen Anforderungen. Alle

Anforderungen zusammen ergeben erst ein möglich erfolgreiches Produkt. Aus Sicht von Au-

thentics ist der Beginn der Betrachtung immer der Markt, d. h. der Endkunde. Dieser erzeugt

durch die Nachfrage einen Bedarf. So nehmen die Marktgesetze ihren Lauf (Bild 9).

Anforderungen des Endkunden

Die wichtigste Anforderung, die ein Endkunde hat, ist, dass das Produkt ihn emotional bewegen

muss und das geschieht maßgeblich durch die Gestaltung des Produkts. Das Design des Pro-

dukts sollte eine Begehrlichkeit wecken, indem es die Emotionen des potenziellen Kunden weckt

(primäre Kaufentscheidung). Diese Eigenschaft wird der bionische Freischwinger mit Sicherheit

erfüllen. Seine individuelle Form und Oberflächenbeschaffenheit sind ein Hingucker par

excellence. Sind die Emotionen entfacht, wird der potenzielle Kunde das Produkt weiter im De-

tail betrachten: Im Falle unseres Freischwingers wird der Endkunde die Ergonomie optisch, hap-

tisch, olfaktorisch sowie akustisch testen.

9 Vermerkt ist jeweils der Federführer dieses Arbeitspakets, der auch die jeweils größten Arbeitsanteile hat.

Zuarbeit von anderen zu dem jeweiligen Arbeitspaket ist gesondert kenntlich gemacht. 10 VDI 2010


Bild 9: Wichtige Kriterien, aufgeteilt nach Anforderungen

Der Kunde wird die Meso-Struktur visuell erforschen und sich dann die Frage stellen, ob das

Konstrukt dieses Freischwingers funktioniert und das Gewicht einer Person standhält.

Ein Sitztest wird vorgenommen und fällt dieser weiterhin positiv aus, wird eine Reihe von weite-

ren Fakten abgeklopft, die aber je nach Kunde recht unterschiedlich ausgeprägt sein können.

Anschließend werden die sekundären Kaufentscheidungen beleuchtet. Diese beziehen sich auf

weitere Funktionalität, wie Gewicht, Schwingverhalten, Reinigungsmöglichkeit bis hin zur Halt-

barkeit und Nachhaltigkeit in der Produktion. In unserem Fall - bezogen auf den Freischwinger –

sind noch die Reinigungsmöglichkeiten zu analysieren. Durch die offenen Zellen können sich

Staub oder Flüssigkeiten ungehindert überall in der Innenstruktur absetzen. Hier ist zu klären,

wie diese Fremdkörper aus der Innenstruktur zu entfernen sind.

Anforderungen des Fachhändlers

Ebenso wie der Endkunde wird der Fachhändler in erster Linie durch die Gestaltung/das Design

auf ein Produkt aufmerksam. Hauptsächlich geschieht dies auf Fachmessen oder durch den Ver-

trieb der Herstellerfirmen. Geeignete Fachmessen für den Freischwinger wären der Priorität

nach: Möbelmesse Mailand, IMM Köln, Ambiente Frankfurt, Maison & Object Paris, Ambiente

Tokyo sowie die Möbelmesse Stockholm. Hier bestimmen aber nicht nur die Emotionen, sondern

Emotionen gemischt mit Erfahrungen, welche Art von Gegenständen/Design gut verkäuflich

sind.

Sicherheit, Ergonomie, Gebrauchstauglichkeit (usability), Benutzerfreundlichkeit, Wartung und

Pflege sowie Qualität sind für einen guten Verkauf selbstredend und absolut priorisierte Anfor-

derungen eines Fachhändlers an ein Produkt, wie den zu entwickelnden Freischwinger. Um den

Sicherheitsaspekt zu unterstreichen, wäre es sinnvoll, den bionischen Freischwinger dem TÜV

Rheinland vorzustellen und die Zertifizierung des GS-Zeichens zu beantragen.

Ebenfalls weitere wichtige Kriterien für den Händler sind der Einkaufspreis sowie die Bezugsne-

benkosten. Diese entscheiden maßgeblich über seinen wirtschaftlichen Erfolg oder Misserfolg.


Da im Falle unseres gesinterten Freischwingers die Herstellkosten noch sehr hoch ausfallen, wird

der Einkaufspreis eines der bedeutendsten Kriterien sein. Auch ein wichtiges Kriterium, aber

deutlich abgeschwächt in der Prioritätenreihenfolge, ist der ökologische sowie nachhaltige As-

pekt. Hat dieser Aspekt vor gut 20 Jahren kaum eine Rolle gespielt, gewinnt dieser heutzutage

immer mehr an Bedeutung durch verstärkte Aufklärung der Medien sowie Bewusstseinsände-

rung der Endverbraucher. Immer stärker setzt sich der Slogan „Think Green“ durch. Hier kann

der Freischwinger gut punkten und voll überzeugen!

Anforderungen des Herstellers

Auch der Hersteller beginnt seine Planungen mit dem Design. Er beauftragt Designer/Entwickler

mit der Gestaltung und ergonomischen Planung eines bestimmten Produkts. Dies wird im Fach-

jargon „Briefing“ genannt. Dieses Briefing beinhaltet bestimmte Anforderungen, die das zu ge-

staltende Produkt erfüllen muss. In erster Linie wird das Briefing auf die Produktionsmöglichkei-

ten des Herstellers ausgerichtet, um die Stärken des Herstellers herauszustellen und ihm somit

eine Vormachtstellung am Markt zu verschaffen, sowie dessen Maschinenpark auszulasten.

Ein weiteres wichtiges Kriterium sind die ökonomischen Faktoren wie Materialkosten sowie Kos-

ten für die Herstellung. Der Herstellungsaufwand, die Komplexität/Herstellungstechniken und

Anzahl der Fertigungsschritte des Produkts sind maßgeblich entscheidend und müssen im Brie-

fing mit eingeschlossen sein; natürlich immer in Bezug auf die Preissegmente der jeweiligen Ziel-

gruppen die angestrebt werden. Da der Freischwinger als ganzes derzeit noch in keinen Bau-

raum einer vorhandenen Sintermaschine passt, muss der Stuhl aus mehreren Teilstücken zu-

sammengesetzt werden. Das verursacht eine hohe Komplexität der Verbindung der einzelnen

Teile sowie erhöhte Montagekosten.

Sind alle oben genannten Schritte geleistet, sollte jeder Hersteller vor Produktionsstart die Son-

dereinzelkosten des Vertriebs genau prüfen, um Kostenfallen im Voraus zu umgehen. Daher

sollte schon im Briefing darauf geachtet werden, dass das fertige Produkt den gängigen Maßen

der Logistikkette entspricht, um Sonderkosten zu vermeiden. Lager- und Transportaufwendun-

gen können bei Sondermaßen/Gewichten exponentiell in die Höhe schnellen. Leider ist der Frei-

schwinger in dieser Hinsicht eher suboptimal gestaltet und ausgeprägt, sodass die Sondereinzel-

kosten des Vertriebs hoch ausfallen werden.

Last but not least sind auch derzeitig die ökologischen Soft-Facts immer entscheidender. Der

Endverbraucher übt seit geraumer Zeit immer mehr Druck auf die Hersteller aus, ökologisch ver-

antwortungsvoll und nachhaltig zu produzieren. Dies beginnt mit der Wahl der Materialien, über

die Verarbeitungsschritte bis hin zur ökologischen Logistikkette, angefangen von der Verpa-

ckung, Lagerung über Transporte bis hin zur Entsorgung.

Anforderungen des Gesetzgebers

Auch der Gesetzgeber spielt eine wesentliche Rolle in dem Anforderungsgefüge. Zum Thema

Sicherheit und Qualität gibt es wesentliche Vorgaben, die Hersteller/Fachhändler zu erfüllen ha-

ben.

Ein breites Feld sind die Normen. Hier gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Normen. Diese sind

von Land zu Land unterschiedlich aufgestellt. Es gibt die länderspezifischen Normen wie die DIN.

Diese sind wieder häufig zusammengefasst in den EN-Normen, die europäischen Normen. Au-

ßerdem gibt es auch ganz spezielle Normen wie BS (British Standard), welche nur für GB und

dessen Commonwealth Partnerländer anzuwenden sind. International gibt es die ISO Normen.

Bekannte Normen sind die ISO 9000 oder ISO 9001ff.


1.1.2 Normen/Regularien (AP 1.2)

Bei der Normung spielen der Einsatzzweck und -ort eine wesentliche Rolle: Es gilt zu unterschei-

den zwischen Stühlen für Bildungseinrichtungen (DIN EN 1729), Büromöbel-Sitzmöbel (DIN EN

4550) über Besucherstühle (DIN EN 13761) bis hin zu Möbel für den Wohnbereich - Sitzmöbel

(DIN EN 1728) und Wohnmöbel-Sitzmöbel (DIN EN 1022). Jede dieser Normen sagt etwas über

unterschiedliche Anforderungen aus, wie z. B. die Bestimmung der Standsicherheit, der Festig-

keit und Dauerhaltbarkeit sowie Sicherheitsanforderungen.

Das finale Design des Freischwingers legt einen Einsatz im Wohnbereich nahe. Deshalb werden

speziell die Normen für

Möbel für den Wohnbereich-Sitzmöbel (DIN EN 1728) und

Wohnmöbel-Sitzmöbel (DIN EN 1022)

herangezogen. Diese beschäftigen sich mit der Standsicherheit sowie Festigkeit und Dauerhalt-

barkeit.

DIN EN 1022 Wohnmöbel-Sitzmöbel11:

Im Vorwort wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Sitzmöbel dem Geräte- und Produktsi-

cherheitsgesetz unterliegen und als Nachweis für die Einhaltung der Normen nach erfolgreicher

Prüfung durch ein zertifiziertes Labor das GS-Zeichen (Geprüfte Sicherheit) tragen dürfen. Die EN

1022 beschreibt die Prüfanleitung für das Belasten von Sitz und Rückenteil sowie das Umkippen

nach vorn, hinten und zur Seite. Sämtliche Prüfeinrichtungen dürfen eine Verformung der zu

prüfenden Sitzmöbel nicht verhindern und alle Druckstempel müssen entsprechend der Richtung

der aufgebrachten Kraft drehbar sein.

DIN EN 1728 Möbel für den Wohnbereich:12

Diese Norm beschäftigt sich mit den Bestimmungen der Festigkeit und Dauerhaltbarkeit von

Sitzmöbeln. Der Anwendungsbereich dieser europäischen Norm 1728 legt Prüfverfahren zur

Bestimmung der Festigkeit und Dauerhaltbarkeit der tragenden Teile für alle Arten von Sitzmö-

beln im Wohnbereich für Erwachsene fest. Werkstoffe, Gestaltung, Konstruktion und Herstel-

lungsverfahren bleiben hier unberücksichtigt.

Die statische Prüfung testet schwere, wiederholte Belastungen um sicherzugehen, dass das Mö-

belstück eine ausreichende Festigkeit aufweist und seine Funktion unter Hochbelastung bei übli-

chem Gebrauch gewährleistet ist.

Stoß- sowie Schlagprüfungen bewerten die Festigkeit des Prüfgegenstands gegen von außen

einwirkende Stöße und Schläge, die bei üblichem Gebrauch zu erwarten sind.

Dauerhaltbarkeitsprüfungen sind jene, die die wiederholte Aufbringung von Lasten oder Bewe-

gungen von Teilen nachstellt, die während einer Nutzungszeit auftreten.

Die Konstruktionsprüfung testet alle Last tragenden Teil des Sitzmöbels, wie Rahmen, Sitzfläche,

Rückenlehne, Armlehnen und deren Anbindungen.

Zuletzt wird die Fallprüfung vollzogen. Hier wird die effektive Masse des Prüfgegenstands, die

über die Beine auf den Boden wirkt, mithilfe einer Waage festgestellt.

Eine genaue Erläuterung dieser verschiedenen Prüfungen würde den Rahmen dieses Abschluss-

berichts sprengen.

11 Deutsche Fassung EN 1022: 2005. 12 Ausgabe 2004


1.1.3 Lastenheft Freischwinger BIONA (AP 1.3)

1. Einleitung

In dem Forschungsprojekt BIONIC MANUFACTURING ging es um die Weiterentwicklung einer

generativen Fertigungstechnik für die Bauteilherstellung nach biologischen Konstruktions- und

Strukturierungsprinzip am Beispiel eines Freischwingers.

2. Zielbestimmung

Die Ziele werden nach Muss-, Soll- und Kann-Kriterien eingeteilt:

Muss-Kriterien: Der zu entwickelnde Freischwinger muss folgenden Kriterien entspre-

chen:

o Werkzeugfreie Fertigung auf Basis des Herstellungsverfahrens Rapid Prototyping

o Einzelstückfertigung und Herausstellung der Vorteile der RP-Technologie gegen-

über anderen Technologien

o Er muss bionische Grundsätze und Konstruktions- bzw. Bauprinzipien natürlicher

Vorbilder beinhalten

o Entwicklung der Formensprache, sodass der Aspekt der Bionik sowie RP-

Technologie offensichtlich sichtbar wird

o Er muss den gängigen Bestuhlungs-Normen EN 1022, EN 1728, BS 5940 und

NEN-EN 14703 entsprechen

o Das Gewicht sollte unter dem anderer handelsüblicher Freischwinger liegen, max.

6-7 kg, Lounge Freischwiner 15-20 kg

o Aktueller Stand der Sitzergonomie, mehrere Sitzpositionen sollten möglich sein

o Sitzhöhe 45cm und Sitzfläche von 45 x 45cm2, Rückenlehnhöhe 80cm, Rücken-

lehne und Sitzfläche in einem Winkel von 90-100° zueinander

o Verwendetes Material muss UV-stabil, bruchfest aber elastisch, einzufärben, re-

sistent gegen Säuren und Basen, wasserfest sowie abriebfest sein. Es darf nicht

leichtentzündlich oder gesundheitsschädlich sein sowie mit anderen Materialien

unvorteilhaft reagieren.

o Marktfähigkeit hinsichtlich Design, Funktion, Ergonomie und Preisstellung

o Unkomplizierte und selbstverständliche Handhabung ohne jegliches Verletzungs-

risiko wie z. B. Quetschungen an Öffnungen

o Einfache Reinigung

o Problemlose und sortenreine Entsorgung

Soll-Kriterien: Der zu entwickelnde Freischwinger sollte zudem noch folgenden Krite-

rien entsprechen:

o Einfache Montage, evtl. Steck- oder Klebverbindung

o Nutzung als offiziell anerkannter Bürostuhl nach EN

o Einsatz auf Balkon/überdachter Terrasse

Kann-Kriterien: Der zu entwickelnde Freischwinger könnte zudem noch folgenden Kri-

terien entsprechen:

o Stapelbarkeit, Reihung

o Objekttauglichkeit, d. h. Einhaltung der Objektnormen

o Permanente Outdoor-Tauglichkeit


o Fertigung aus einem Stück von der Firma rpm

3. Produkteinsatz

3.1. Anwendungsbereiche

Der Anwendungsbereich kann als erstes in Indoor und Outdoor aufgeteilt werden.

Indoor:

o Nutzung im privaten Umfeld: Wohnzimmer, Esszimmer, Home-Office

o Nutzung im geschäftlichen Umfeld: Warteraum/Empfang, Besucherraum, Kanti-

ne, evtl. auch Büro, Messen

Outdoor:

o Nutzung im privaten Umfeld: überdachte Terrasse, Balkon; Garten ist nicht vor-

gesehen

o Nutzung im geschäftlichen Umfeld: Außenbestuhlung Bistro; Terrasse ist nicht

vorgesehen

3.2. Zielgruppe

Eine Zielgruppe ist bei einem solchen Innovations- und Design-Objekt recht komplex zu ermit-

teln. Für die Erarbeitung der Zielgruppe wurde die neue Sinus-Milieu-Technik angewandt13.

Hier werden Verbraucher nicht mehr nur nach rein demografischen Daten systematisiert, son-

dern nach ihren Gewohnheiten, Vorlieben und Lebensauffassungen. Im ersten Schritt geht es

darum, sich den einzelnen Milieus anzunähern. Daher unterteilt man die Gesellschaft in ver-

schiedene Rubriken/Milieus, wie folgt: bürgerlich, konservativ, etabliert, modern, experimentell

und postmateriell (Bild 10).

Die Betrachtung der verschiedenen Milieus in der realen Welt führt zwangsläufig zu folgenden

Fragen: Was ist für das Konsumverhalten der einzelnen Milieus abzuleiten? Wer benötigt was in

der Kommunikation und Produktauswahl?

Die Bürgerlichen: Die bürgerliche Mitte ist der Prototyp für gepflegtes „Homing“; alleine oder

mit Gästen und Freunden. Überwiegend trifft man hier auf eine konventionelle, gediegene bis

moderne und repräsentative Ästhetik. In das Wohlbefinden und die Zukunft der Kinder und der

damit gewünschte Aufstieg wird viel investiert. Es wird viel Wert auf gute Qualität und Verarbei-

tung gelegt.

13 Sinus Institut, www.sinus-institut.de


Bild 10: Einteilung der Zielgruppen gemäß des Sinus Modells14

Die Konservativen: Diese konzentrieren sich immer mehr auf immaterielle Güter, wie die Ge-

sundheit, denn sie besitzen schon fast alles Materielle. Neu angeschafft werden vor allem wert-

volles Porzellan, individuell gefertigte Möbel, edle Autos sowie Kulturreisen unternommen. Sie

legen viel Wert auf höchste Qualität, beste Materialien sowie dessen Verarbeitung und hand-

werkliche Fertigung. Die gekauften Produkte sind Originalprodukte, langlebig und vorzugsweise

deutsche Produkte. Im Kaufprozess sind dem konservativen Milieu sachliche Informationen und

Echtheitsgarantien sehr wichtig. Chefbehandlung, besondere Höflichkeit werden gern gesehen.

Schlüsselworte für die Kundenansprache sind Wohlbefinden und Gesundheit, Qualität und

Langlebigkeit, Bewährtheit und Sicherheit sowie Erleichterung und Komfort.

Die Etablierten: Sie konsumieren edel-exklusiv und genießen den Luxus. Sie besitzen das Gespür

für „Das Besondere“. Das eigene „Well-Being“ spielt eine große Rolle. Eine Abgrenzung zu an-

deren gesellschaftlichen Milieus ist bewusst gewollt. Sie legen ihr Augenmerk besonders auf

hochwertigste Materialien und Produkte, besondere Gestaltung und Design, individuelle Einzel-

anfertigung, beste Verarbeitung sowie Neuheiten in Verbindung mit intelligenter Technik, d. h.

neueste technische Features! Der Kaufprozess der Etablierten ist geprägt von der Modernität in

der Kommunikationsform, schnelles Vorgehen und gut erarbeitete Entscheidungsalternativen.

Gekauft wird nur bei bereits bekannten Fachhändlern hochwertiger Waren und mit ganz per-

sönlicher Kommunikation, wie z. B.: „Das habe ich nur Ihnen von der Kölner Möbelmesse mit-

gebracht“. Besonders hoch im Kurs stehen limitierte Auflagen oder Unikate. Mögliche Produkte

wären z. B.: Nullenergie-Haus mit 100 %iger Onlinesteuerung, Edelstahlküche mit Online-

Features von Bulthaup, Apple Produkte.

Die Modernen: Unkonventionell und flexibel geben sich die Modernen. Ihr Konsumstil ist ge-

prägt durch Lust auf das Besondere, das Integrieren aus anderen Kulturen und Szenen. Hierfür

wird viel Geld ausgegeben. Es wird zudem sehr viel Wert auf Wandelbarkeit der Produkte, un-

konventionelle Lösungen und trendiges Design gelegt. Gerne werden auch mehrere Stilrichtun-

gen miteinander gemixt. Die Modernen besitzen oft ein smartes Äußeres und nutzen ausschließ-

lich die neuesten Kommunikationswege und Geräte. Beim Einkauf lieben sie es persönlich, fach-

lich sehr genau, direkt und schnell. Bevorzugte Produkte sind Up-to-Date Elektronik, versenkbare

Flachbildschirme, Sofalandschaften zum Chillen.

14 Sinus Sociovision


Bild 11: Produktübersicht Freischwinger

Die Experimentalisten: Diese geben sich avantgardistisch und stylisch. Sie haben Lust auf trendi-

ges Design, Kunst und auch die Themen Natur und Gerechtigkeit sind stark vertreten. Produkte

werden überwiegend unkonventionell und auf schnellem Wege online gekauft, Alternativen

sind im Netz schnell zu vergleichen. In diesem Milieu stehen besonders hoch im Kurs Spaß ma-

chende Technik, Musikanlagen, Produkte mit trendigen Farben und aus neuen, innovativen Ma-

terialien und last but not least Möbel aus Design-Wettbewerben.

Die Postmateriellen: Sie legen besonderen Wert auf gerechte Produktion, regionale Herstellung,

fairen Handel und Schonung der Ressourcen. Sie konsumieren generell weniger, aber dafür

sinnvoll und sie sind immer bestens informiert. Das Rollenverständnis zwischen Mann und Frau

ist annähernd gleichberechtigt. Im Einkaufsprozess lieben die Postmateriellen die individuelle

Beratung, individuell-ganzheitliche Entwürfe, Nachvollziehbarkeit der Produkte durch Pro-

duktpässe und Umweltzertifikate und sie identifizieren sich sehr häufig mit der Herstellermarke.

Bevorzugte Produkte sind Bio-Möbel aus heimischen Hölzern, Produkte mit günstiger C02-Bilanz,

Produkte aus nachhaltiger Produktion wie z. B.: individuelle Liebhaberstücke, Bücherregale und

Wintergärten.

4. Produktübersicht

Um das Produkt Freischwinger eindeutig zu strukturieren, müssen alle Komponenten beleuchtet

werden, die auch nicht direkt mit dem Stuhl/Sessel zu tun haben. Selbstverständlich denkt man

sofort an die einzelnen Komponenten des Freischwingers, aber Begleitartikel wie Produktinfor-

mationsflyer, sowie Sicherheits- und Pflegehinweise über die Verpackung vermittelt, werden

schnell vergessen.

Die Produktübersicht (Bild 11) zeigt alle Komponenten sowie Print- und Verpackungsmaterialien.

Hier zeigen sich noch offene Punkte, speziell für das Marketing und Pressematerial. Besonders

die versteckten, nicht gleich ins Auge springenden Details entscheiden später im Markt, ob ein

Produkt erfolgreich verkauft wird oder nicht. Hier sind besonders die sogenannten „Soft-Facts“

sowie alle relevanten Informationsmaterialien zum und über den Stuhl von wesentlicher Bedeu-

tung. Der Konsument von heute will, wie in Punkt 3. schon ausführlich beschrieben, genaues-

tens über die Produkte informiert werden.

5. Produktfunktionen bzw. Projektumsetzung

In erster Linie muss der Freischwinger ein „ergonomisches Sitzen“ ermöglichen. Zudem darf der

Freischwinger ein maximales Gewicht von ca. 6 - 7 kg nicht überschreiten, um eine einfache

Handhabung für Jedermann zu gewährleisten. Eine problemlose Reinigung muss stets möglich

sein. Höhen sowie Breiten dürfen von den Standards/Normen nicht abweichen.

6. Produktdaten

Produktdaten sind die wesentlichen Merkmale, die ein Produkt in seinen Eigenschaften eindeu-

tig beschreibt. Die wichtigsten Daten sind in Bild 12 zusammengefasst.


Bild 12: Produktdaten des Freischwingers

5. Produktleistungen

Ergonomie:

Wie schon in Punkt 5. angesprochen, spielt der Faktor Ergonomie eine große Rolle. Der Stuhl/

Sessel sollte den aktuellen Erkenntnissen der Ergonomie entsprechen, sodass dieser komfortabel

ist und zugleich nicht gesundheitsschädlich auf den menschlichen Körper einwirkt.

Haltbarkeit:

Die Haltbarkeit des Freischwingers ist eigentlich selbstredend. Ein Stuhl dieser innovativen Mach-

und Bauart muss die gesetzlichen Anforderungen von mind. 2 Jahren deutlich überschreiten. Im

Falle unseres Freischwingers ist darauf zu achten, dass nur Materialien verwendet werden, die

eine ausgesprochene Langlebigkeit aufweisen. Besonders zu achten ist hier auf das Grundmate-

rial sowie den Kleber.

Funktionalität:

Da sich die Funktion unseres Freischwingers fast einzig und allein auf die Funktion des „Sitzens“

beschränkt ist, muss diese Komponente zur vollsten Zufriedenheit ausgeführt werden. Neben

der Funktion des Sitzens kommen auch noch die Funktionen des Reinigens und der Beweglich-

keit des Freischwingers zum Tragen.

Nachhaltigkeit:

Dieser Aspekt spielt in unserem Projekt eine große Rolle, da er ein Hauptbestandteil der Grund-

anforderungen ist. Hier ist noch zu klären, inwiefern der Bauraum der Maschinen optimal ge-

nutzt werden kann. Hieraus lässt sich dann später auch die Nachhaltigkeit im Umgang mit dem

Rohstoff Kunststoff errechnen und Vergleiche zum Kunststoffspritzguss ableiten.

6. Qualitätsanforderungen

Qualität wird laut der Norm EN ISO 9000:2005, der gültigen Norm des Qualitätsmanagement,

als Grad, in dem ein Satz definierter Merkmale Anforderungen erfüllt, definiert. Nach der IEC

2371 ist Qualität die Übereinstimmung zwischen den festgestellten Eigenschaften und den vor-

her festgelegten Forderungen einer Betrachtungseinheit. In der praktischen Anwendung des

Qualitätsbegriffs sollte nach verschiedenen Qualitätssichtweisen unterschieden werden:

http://de.wikipedia.org/wiki/Qualit%C3%A4t


Transzendentes Qualitätsverständnis: Entspricht etwa der umgangssprachlichen Sicht von

Qualität. Demnach ist Qualität die subjektive Erfahrung einer Person hinsichtlich der be-

sonderen, einzigartigen Eigenschaften eines Produktes.

Produktbezogenes Qualitätsverständnis: Wird die produktbezogene Sichtweise bei der

Qualitätsbetrachtung zugrunde gelegt, ergibt sich die Qualität eines Produkts aus der Er-

füllung von allgemein festgelegten Anforderungen.

Wertorientiertes Qualitätsverständnis: Hier liegt ein Qualitätsprodukt erst dann vor, wenn

das Produkt hinsichtlich der enthaltenen Merkmale zu einem realistischen Preis erworben

werden kann (Kosten-Nutzen-Verhältnis).

Fertigungsbezogenes Qualitätsverständnis: Hier geht es ausschließlich um die Erfüllung

von Zeichnungsangaben, Vereinbarungen und Normen.

Kundenbezogenes Qualitätsverständnis: Hier definiert sich Qualität als die perfekte Reali-

sierung aller Kundenanforderungen an einem Produkt und entspricht der Qualitätsdefini-

tion der ISO 9000:2005. Ein Fehlen von Merkmalen (fehlende Umsetzung einer Kunden-

forderung) wirkt sich damit sofort negativ auf die Qualität des Produkts aus.

Alle vorgenannnten Aspekte des unterschiedlichen Qualitätsverständnisses sollten bei dem Frei-

schwinger unbedingt berücksichtigt werden. Nur wenn fast alle Kundenanforderungen erfüllt

werden, kann das Produkt auf einen positiven Produktlebenszyklus hoffen.

7. Nichtfunktionale Anforderungen

Während funktionale Anforderungen je nach Projekt unterschiedlich geordnet werden, gibt es

für nichtfunktionale Anforderungen typische Gliederungen, beispielsweise die DIN 66272.

Arten nichtfunktionaler Anforderungen für den Freischwinger sind:

Zuverlässigkeit hinsichtlich Systemreife, Wiederherstellbarkeit, Fehlertoleranz und Halt-

barkeit

Aussehen und Handhabung: Hier sind „ Look and Feel“ von großer Bedeutung. Lädt der

Freischwinger real zum „Sitzen“ ein?

Benutzbarkeit: Inwiefern ist der Stuhl/Sessel ergonomisch? Ortsveränderlich?

Leistung und Effizienz beziehen sich hier auf Herstellungszeiten, Ressourcenbedarf und

nicht zuletzt Wirtschaftlichkeit.

Betriebs und Umgebungsbedingungen

Analysierbarkeit: Hier geht es in erster Linie um die Stabilität und Prüfbarkeit.

Portierbarkeit und Übertragbarkeit in Bezug auf Anpassbarkeit, Installierbarkeit, Konfor-

mität und Austauschbarkeit

Sicherheitsanforderungen hinsichtlich Vertraulichkeit, Informationssicherheit, Datenin-

tegrität und Verfügbarkeit

Korrektheit ist hier zu verstehen als Fehlerfreiheit im Sinne von Konstruktions-, Produkti-

ons-, Material- und Oberflächenfehlern

1.1.4 Technisch-Ökonomische Bewertung (AP 1.4)

Um zu einem sinnvollen Ergebnis der technisch-ökonomischen Bewertung zu kommen, muss

das Produkt Freischwinger zunächst kalkulatorisch betrachtet werden: Anhand der übermittelten

Produktionsdaten von rpm GmbH wurden alle Daten in die Standard-Handelskalkulation der

Authentics GmbH eingepflegt.

http://de.wikipedia.org/wiki/Kosten-Nutzen-Analyse

http://de.wikipedia.org/wiki/Anforderung_(Informatik)#Klassifikation_nichtfunktionaler_Anforderunge


Tabelle 2: Kalkulation Freischwinger (Recycling-Pulver)

Diese sogenannte „Bottom-Up-Handelskalkulation“ beginnt mit der Zusammenfassung aller

Herstellungskosten des Produkts. Daraus errechnet sich der Wareneinsatz. Dem Wareneinsatz

werden die Produktionskosten, Maschinenkosten, Rüst- und Säuberungskosten sowie die direkt

zurechenbaren Personalkosten hinzugefügt - hieraus ergeben sich die Herstellkosten.

Auf diese Herstellkosten werden die Herstell- sowie Gemeinkostenzuschläge berechnet und

ergibt sich für Authentics der Selbstkostenpreis. Diesem werden die Sondereinzelkosten des Ver-

triebs mit Provision, Skonto und Handelsrabatt aufgeschlagen und es ergibt sich der Ladenver-

kaufspreis ohne Mehrwertsteuer. Tabellen 2 und 3 zeigen zwei Kalkulationen, aufgeteilt in Re-

cyclingpulver und Neupulver.

Die weitere Analyse ist in zwei zeitversetzte Szenarien sowie zwei qualitative Szenarien aufgeteilt

worden:

Für das erste Szenario ist Ausgangsbasis, dass die erforschten Kenntnisse über neue Materialien

und Maschinen vorliegen, sich aber die Fertigungsmethoden noch nicht maßgeblich geändert

haben. Die Umsetzung dieser Erkenntnisse wird wahrscheinlich einige Jahre dauern. Somit wird

sich auch erst zukünftig eine effizientere Produktion, unter anderem durch größere Bauräume

und neue Materialien, abzeichnen und die Herstellungskosten drastisch verringern.

Aufgrund der derzeitigen Herstellungskosten von ca. 12.860 € (Recyclingpulver) sowie 16.770 €

(Neupulver) je Freischwinger wird dieser auch kurzfristig nicht unter einem Ladenpreis von ca.

33.000 €/43.000 € excl. MwSt. angeboten werden können. Diese Preislage macht das Produkt

faktisch unverkäuflich.


Tabelle 3: Kalkulation Freischwinger (Recycling-Pulver)

Schaut man auf die Historie des Freischwingers zurück, ist zu bemerken, dass das Ur-Modell des

Freischwingers (Stuhl „ohne Ende“/„sans fin“) von Mart Stam aus 1926 ca. 50 Jahre Entwick-

lungszeit bedurfte, bis die Verkaufszahlen deutlich angestiegen sind.

Daher schließt eine zweite, zeitversetzte Betrachtungsweise an: Dieses zweite Szenario ist rein

hypothetisch und zielt auf einen Zeitraum von ca. 10+x Jahren ab. Zudem wird eine rasante

Weiterentwicklung des RP-Verfahrens hinsichtlich Material, Materialeinsatz, Größe der Bauräu-

me von Maschinen sowie effizientere Fertigungsmethoden- und Maschinen vorausgesetzt.

Sollte die voranschreitende Technik die Herstellungskosten in 10+x Jahren um das 10-fache sin-

ken lassen, würde ein Freischwinger anstatt geschätzter 43.000 €/33.000 € nur noch ca. 3.000-

4.000 € im Fachhandel kosten. In dieser Preisklasse bewegt man sich im gehobenen Stuhlseg-

ment, und eine Kleinserienfertigung wäre durchaus denkbar.

Schaut man noch einmal auf die Entwicklungshistorie des Freischwingers zurück und gewährt

der Technik - wie in der Vergangenheit - auch 40 Jahre Weiterentwicklung, ist anzunehmen,

dass die Herstellkosten sowie Ladenpreise für den BIONA-Freischwinger weiter drastisch fallen.

Doch erst dann wäre der Grundstein für eine serielle Massenfertigung gelegt.

Kritisch bleibt jedoch die Betrachtung der Nachhaltigkeit. Es müssen 160 kg Pulvermaterial ein-

gesetzt werden, um einen 7 kg leichten Freischwinger-Sessel zu produzieren. Das entspricht

nicht den heutigen Anforderungen an Nachhaltigkeit, wenn man das Verfahren mit anderen

Kunststoffherstellungsverfahren wie Spritzguss oder Rotation vergleicht. Dort gibt es beim An-

lauf der Produktion ein paar Teile Ausschuss, die im Mittel aber nur ca. 1-2 % des gesamten

Fertigungsmaterials ausmachen. Bei dem BIONA Freischwinger sprechen wir aber über 2200 %!


Bild 13: Gestaltung eines Reifenprofils nach dem Beispiel einer Gepardenpfote15

Bild 14: Vergleich klassischer Reifen mit bionischem Reifenprofil16

Selbstverständlich sind die 153 kg nicht verbautes Material zu recyclen, aber das auch nur ein-

malig und das zurück gewonnene Recyclingmaterial kann nur bedingt in gewissen %-Anteilen

Neupulver beigemischt werden. (siehe auch Kap. 1.5.5.)

1.1.5 Marktanalyse bionischer Kunststoffprodukte (AP 1.5)

Als erster Schritt der Marktanalyse ist es wichtig, die Definition noch einmal genauestens zu ver-

gegenwärtigen:

Bionik verbindet Biologie und Technik mit dem Ziel durch Abstraktion, Übertra-

gung und Anwendung von Erkenntnissen, die durch interdisziplinäre Zusam-

menarbeit an biologischen Vorbildern gewonnen werden, technische Fragestel-

lung zu lösen.

Die Firma Continental AG kann mit einem praxisnahen Beispiel aufweisen. Dort hat man hin-

sichtlich der bionischen Kriterien einen neuartigen, bionischen Reifen entwickelt. Als Vorbild in

der Natur steht der Gepard mit seinen Tatzen. Beim Spurt nach der Beute sind die Tatzen der

Geparden-Pfote schmal. Diese schmalen Tatzen ermöglichen ein schnelles, effizientes Laufen mit

geringem Widerstand. Jedoch beim Abbremsen oder Landen von Sprüngen spreizen sich die

Tatzen auf und werden breiter. Durch den Flächenzugewinn wird mehr Kraft auf den Boden

übertragen. Der Gepard kommt schneller zum Stehen und erhält insgesamt eine verbesserte

Stabilität.

Dieses Vorbild haben sich die Ingenieure der Continental AG zunutze gemacht und adaptiert.

Ziel war, die Kraftverteilung des neu zu entwickelnden Reifens beim Fahren als auch beim Brem-

sen auf der Straße zu verbessern (Bild 13,14).

15 Continental AG 16 ibid


Bild 15: Nachgiebiger Roboterarm nach dem Vorbild eines Elefantenrüssels17

Bild 16: HAKW Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst

Es wurde eine neue Gummimischung entwickelt, die der Konsistenz der Gepardenpfote recht

ähnlich ist. Der bionische Reifen ist mit dieser Gummimischung nicht breiter als herkömmliche

Reifen, doch beim Bremsen verbreitert sich der bionische Reifen und bietet somit mehr Boden-

haftung und kann den Bremsweg bis zu 10 % verkürzen.

Der neue, bionische Sommerreifen der Continental AG hat sich die positiven Vorbilder der Natur

zu eigen gemacht, diese abstrahiert und die technische Anwendung übertragen. Das Ergebnis ist

ein neuartiger Sommerreifen mit verbesserter Laufruhe, weniger Abrieb und einer Reduktion des

Bremswegs um bis zu 10 %.

Bei einem vollkommen neuen, bio-mechatronischen Handhabungs-System haben sich die Exper-

ten von Festo vom Elefantenrüssel inspirieren lassen. Durch die Analyse von dessen Struktur und

Funktionsweise und den Einsatz neuester Fertigungstechnologien, konnte die Mensch-Technik-

Kooperation revolutioniert werden. Mittels modernster Technologien des Rapid-Manufacturing

gelingt die „kundenindividuelle On-Demand-Produktion“ (Bild 15).

Ein gutes weiteres Anschauungsbeispiel ist der Rapid Racer der HAKW Hochschule für ange-

wandte Wissenschaft und Kunst. Neue Verfahren für Entwicklung und Produktion werden der

Bionik im Automobildesign künftig ein größeres Potenzial verleihen. Leichtbau wird für das Auto

immer wichtiger, und durch das Rapid Prototyping lassen sich dafür heute bionische Formen

erzeugen, die wir vorher so nicht umsetzen konnten. Solche intelligenten statischen Strukturen

werden in Zukunft eine wichtige Rolle für die Serienfertigung spielen.

Dieses Fahrzeug wird nicht nur von einem handelsüblichen Akku-Schrauber angetrieben, es ist

auch bis auf Zahnrad, Räder, Kette und einige Schrauben komplett am Computer konstruiert

und vollständig im Rapid Manufacturing gefertigt; und zwar in einem Stück. Durch das Rapid-

Prototyping-Verfahren sind innere bionische Strukturen möglich, die das Fahrzeug besonders

leicht machen. Die Kunststoffteile wiegen zusammen lediglich 8,3 kg - das gesamte Fahrzeug

nur 13,4 kg. Der Rapid Racer ist das erste fahrbereite Gefährt weltweit, das in einem Rapid-

Prototyping-Verfahren gefertigt wurde (Bild 16).

17 Festo AG


a) b)

c)

d)

e) f)

Bild 17: Produkte der Firma FOC: a) Hocker (Janne Kyttänen) ca. 6720 €, b) Tisch (Janne Kyttänen) ca 6720 €, c,d) Gaudi Hocker

(Bram Greenen) ca 13.430 € Der Gaudi Hocker wurde methodisch genauso entwickelt, wie Antoni Gaudi es pflegte zu tun: hän-

gende Bögen, die besonders stabil sind. Das verwandte Material ist glasfasergefülltes Nylon, welches den Hocker zu einem Leicht-

gewicht werden lässt.) e) Hängeleuchte (Janne Kyttänen) 16cm 360 € f) Tischleuchte (Janne Kyttänen) 380 €

FOC ist ein weiteres Unternehmen, das sich auf Rapid Manufacturing fokussiert hat. FOC produ-

ziert Objekte wie Kleinmöbel, Verpackungen, Schmuck und Leuchten. Meistens sind diese Ge-

genstände von namhaften Designern gestaltet und einige dieser Einzelstücke sind sogar in welt-

bekannten Museen ausgestellt wie Modern Museum of Modern Art in New York oder Vitra De-

sign Museum in Weil am Rhein (Bild 17). Bild 18 zeigt weitere Beispiele.


Bild 18: Happy Bird and Merry Bird by Michiel Cornelissen, ca. 29 € (oben), “Torus” Armband by Claesson Koivito Rune for DFTS

Factory, Sweden 390 € (Mitte), ”BLACK HONEY” by Arik Levi für MGX, ca. 675 € (unten)

1.2 AP 2 Bionische Konstruktionen (Folkwang)

1.2.1 Recherche Analyse biologischer Vorbilder (AP2.1, PBG, Freiburg)

Biologische Materialien und Strukturen sind in der Regel gewichts- und formoptimierte Ver-

bundwerkstoffe, die hauptsächlich aus Polymerfasern bestehen, welche in eine Matrix eingebet-

tet sind. Obwohl tierische Gewebe und pflanzliche Zellen aus einer sehr beschränkten Anzahl

von Grundbausteinen bestehen, erzielen sie erstaunliche und vielfältige mechanische Eigenschaf-

ten. Ausschlaggebend hierfür sind die effiziente innere Struktur und die Anordnung der Materia-

lien. Biologische Materialien zeigen einen hierarchischen Aufbau auf mehreren Ebenen von der

makroskopischen bis hin zur molekularen Längenskala. Doch nicht die Materialeigenschaften der

einzelnen Komponenten bestimmen das mechanische Verhalten, sondern ihre spezifische An-

ordnung innerhalb einer Struktur. Beispielsweise können fast identische Kollagenfasern hochstei-

fe Knochen, flexible Kreuzbänder oder hochelastische Blutgefäße ausbilden. Die Verbundwerk-

stoffe bestehen in der Regel aus einer Grundsubstanz/Matrix mit geringer Steifigkeit und einer

Armierung mit hoher Steifigkeit. In natürlichen Materialien werden polymere, lasttragende Fa-

sern in eine formgebende Grundmatrix eingebettet

Neben dem hierarchischen Aufbau stellt die Ausbildung von Gradienten einen wesentlichen

Punkt der Strukturoptimierung bei natürlichen Materialien dar. Gradienten d. h. allmähliche

Übergänge von Eigenschaften wie z. B. Zell-Orientierung, Zell-Dimension oder Biochemie kön-

nen hierbei ebenfalls auf mehreren Hierarchieebenen stattfinden.


Bild 19: Rhabarberpflanzen und Bruchmechanismus18

Natürliche Strukturen besitzen in der Regel nicht nur eine Funktion auf die sie optimiert sind,

sondern müssen meist mehrere Funktionen erfüllen. Somit müssen sie immer unter dem Aspekt

der Mehrfaktorenoptimierung betrachtet werden.

Bionisch inspirierte Produkte müssen nicht zwangsläufig optische Ähnlichkeiten mit ihrem Vor-

bild aufweisen, da es hier um die Abstraktion der zugrundeliegenden Mechanismen geht. Biolo-

gische Konstruktionen haben die Fähigkeit, sich der Belastung anzupassen (Adaptivität). Dies ist

der am schwierigsten umzusetzende Aspekt bei der Konstruktion bionischer Materialien und

wird im Rahmen dieses Projekts nicht verfolgt. Bionische Produkte müssen nicht per se nachhal-

tig sein, sondern die Nachhaltigkeit ist im Einzelfall zu prüfen.

Es wurden einige Beispiele für strukturoptimierte Bauteile identifiziert:

Die Blattstiele des Rhabarbers sind in der Lage, große Blätter zu tragen. In das Parenchym des

Rhabarbers sind unidirektional feste Leitbündel eingebettet, während Rindenfaserbündel eine

äußere Begrenzung bilden. Rhabarber zeigt aufgrund seines Aufbaus als Verbundwerkstoff eine

hohe Schlagzähigkeit und ein sehr gutmütiges Bruchverhalten, wobei die Leit- und Rindenfaser-

bündel vermutlich eine große Rolle spielen. Die beiden Fasertypen zeigen deutliche Unterschiede

in ihren mechanischen Eigenschaften. Rindenfaserbündel zeigen eine hohe Steifigkeit bei gerin-

ger Dehnung und die Leitbündel eine geringere Steifigkeit und eine hohe Dehnung. Bei Impact-

versuchen werden Parenchym und Rindefaserbündel deutlich schneller zerstört als die Leitbün-

del, die aus dem Parenchym ausgezogen werden und Schlagenergie absorbieren (Bild 19).

Der Drachenbaum (Bild 20) weist eine ausgeprägte Faser-Matrix-Struktur auf, die aus Fa-

sern/Faserbündeln und Holzsträngen besteht, die in eine teilweise verholzte Parenchym-Matrix

eingebettet sind.

Bei Kakteen ist die Sprossachse durch funktionellen Zwang stark abgewandelt und dient als

Speicherorgan. Die verholzten Leitbündel eines Kaktus bilden einen Zylinder der eine stabile

Struktur ergibt (Bild 21). Die Fasern sind mit spindelförmigen Aussparungen zu einem Netzwerk

verwoben.

Bild 22 zeigt einen Querschnitt durch ein Bambus Internodium. Die Halmwand zeigt sehr an-

schaulich die Verteilung der Gefäßbündel innerhalb des Halmquerschnitts. Von innen nach au-

ßen nimmt die Häufung der in die weiche Matrix eingebetteten reißfesten Faserbündel (dunkel)

kontinuierlich zu. Somit liegen an der Außenwand, an der die mechanische Beanspruchung am

größten ist, die reißfesten Faserstränge am dichtesten (ähnlich wie die Stahlbewehrung im

Stahlbetonbau).

18 Huber et al. As tough as it is delicious? A mechanical and structural analysis of red rhubarb (Rheum rhabarbarum). Journal of Materials Science, 4 (15), 4195-4199 — doi: 10.1007/s10853-009-3556-y


Bild 20: Lastoptimierte Verzweigung eines Drachenbaums

Bild 21: Verholzte Leitbündel eines Kaktus. Der hohle Zylinder und das Netzwerk hölzerner Fasern geben festen Halt.

© Plant Biomechanics Group Freiburg

Bild 22: Querschnitt durch ein Bambus Internodium (Phyllostachys pubescens) unter polarisiertem Licht. Von außen (links) nach

innen (rechts) nimmt die Häufung der Gefäßbündel ab. © Plant Biomechanics Group Freiburg

Ein weiterer entscheidender Gradient findet sich bei der Einbettung der steifen Fasern in die

weiche Grundmatrix in einer Pfahlrohr-Wurzel (Bild 23). Die steifen Fasern gehen durch einen

graduellen Steifigkeitsübergang allmählich in die zelluläre weiche Grundmatrix über. Somit wird

eine optimale Faser-Matrix-Anbindung erreicht. Durch die Überlagerung mehrerer einfacher

Gradienten (Zell-Anordnung, Zell-Größe, biochemische Eigenschaften, etc.) entsteht eine kom-

plexe Struktur. Somit entstehen im Falle des Pfahlrohrs oder Bambus stark dämpfende Leicht-

baustrukturen mit hoher Steifigkeit und Festigkeit sowie gutmütigem Bruchverhalten (nicht split-

ternd).


Bild 23: Querschnitt durch eine Pfahlrohr-Wurzel. Der Übergang zwischen festen Fasern und weichem Grundgewebe ist fließend. ©

Plant Biomechanics Group Freiburg

Bild 24: Libelle (Orthetrum cancellatum). Die Flügelspreiten weisen eine zickzackförmige Verspannung nach dem Faltwerkprinzip

Das filigrane Netzwerk eines Insektenflügels stellt vermutlich eine der effizientesten Tragwerk-

konstruktionen dar, die vorstellbar ist (Bild 24). Die Flügelspreiten sind so gebaut, dass eine sehr

dünne Spreite zwischen tragenden Adern zickzackförmig verspannt ist. Somit gewinnen die Flü-

gel Steifigkeit. Die Falten verlaufen in guter Näherung parallel zur Flügellängsachse, sodass ge-

rade die Längsrichtung gegen Durchbiegung stabilisiert ist. Solch eine Konstruktion hilft, Materi-

al zu sparen und somit Gewicht und „Baukosten“ zu reduzieren19

Ein Astloch wirkt wie eine Kerbe im Baum, da dort der Kraftfluss umgelenkt wird. Die Kerbspan-

nungen im Kerbgrund sind sehr hoch und scheinen den Heilungsprozess zu regulieren (Bild 25)

Am Rand des Astlochs wird zusätzliches Material angelagert und ein vorher rundes Astloch wird

spindelförmig umwachsen. Durch den Heilungsprozess werden Kerbspannungen abgebaut und

die homogene Spannungsverteilung wieder hergestellt.

19 W. Nachtigall, K. G. Blüchel: Das Große Buch der Bionik, Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart (2000).


Bild 25: A Wundheilung an einem Astloch. Im hoch belasteten Kerbgrund wird neues Material angelagert, um die Kerbspannungen

abzubauen. © Mattheck 2003 B Wundheilung an einem Astloch. Es entsteht eine Spindelform mit einer randlichen Wulst. © Norbert

Bending

Bild 26: Schnittebene durch die Kopfregion eines menschlichen Oberschenkelknochens (links), Schematische Darstellung der Kopf-

region eines menschlichen Oberschenkelknochens. Die ausgezogenen Linien zeigen die druckaufnehmenden Knochenbälkchen, die

gestrichelten stellen die zugaufnehmenden Bälkchen dar.20

Knochen stellen ein Paradebeispiel des Leichtbaus dar. Sie tragen z. B. das gesamte Körperge-

wicht eines Menschen und müssen dabei so leicht wie möglich sein, denn zusätzliches Gewicht

kostet mehr Energie bei der Fortbewegung. Knochen vereinen somit die auf den ersten Blick

eher widersprüchlich erscheinenden Eigenschaften leicht und stabil. Die erstaunlichen Eigen-

schaften der Knochen liegen in ihrem Aufbau. Sie sind nicht massiv sondern bestehen aus einem

Netzwerk von Knochenbälkchen (Trabekel), aus denen der schwammartige Innenraum der Kno-

chen, die Spongiosa aufgebaut ist. Die meisten Knochenbälkchen sind entlang der auftretenden

Kraftlinien ausgerichtet wobei die Architektur davon abhängig ist, ob der Knochenabschnitt

überwiegend Druck-, Biege- oder Torsionskräften ausgesetzt ist (Bild 26). Darüber hinaus zeigen

Knochen ein adaptives Wachstum. Sie befinden sich im ständigen Umbau und passen sich neuer

Belastung an. Die Ausbildung der Trabekel bietet diverse Vorteile gegenüber einer massiven

Knochenstruktur. Unter anderem:

Materialersparnis

Geringeres Gewicht

Möglichkeit der dynamischen Anpassung an unterschiedliche Belastungssituationen

Hohlräume der Spongiose ermöglichen Unterbringung des Knochenmarks

20 W. Nachtigall, K. G. Blüchel: Das Große Buch der Bionik, Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart (2000).


Bild 27 Bananen (Musa spec) sind immergrüne Pflanzen mit großen ganzradigen Blättern, deren nicht verholzender Stamm aus

Blattscheiden besteht B Querschnitt eines Bananenblattstiels

Bild 28:Konstruktionsvorschrift der Zugdreiecksmethode. Kerbspannungen werden durch Kerbformoptimierung abgebaut.

21

Biologische Strukturen sind mechanische Lastträger, die im Hinblick auf Festigkeit und Material-

einsatz optimiert sind. Oftmals wirken viele Teile innerhalb dieser Strukturen als Zugseile. Ein

sehr großer Vorteil von Zugseilen gegenüber Druckstützen ist, dass sie nicht durch Abknicken

oder Eindellen versagen. Ein weiterer entscheidender Punkt ist, dass eine Versteifung durch ein

Zugseil deutlich dünner ist als die Versteifung durch eine massive Druckstütze.

Bananenblätter sind nicht-verholzte Strukturen die eine geschickte Anordnung von Zugseilen

und gekrümmten Schalenelemente vereinen. Das Bananenblatt weist einen schwammartigen

Innenaufbau auf. Innerhalb des Blattstiels treten Zugspannungen auf. Durch die Vorkrümmung

des Bananenblattstiels wäre ein Ausknicken nur in eine Richtung möglich). Das Ausknicken wird

durch die innere Struktur, die wie Zugseile wirkt, verhindert (Bild 27)22.

Die Methode der Zugdreiecke ist eine rein graphische Methode zum Abbau von Kerbspannun-

gen. Existiert eine scharfeckige Kerbe, so treten dort hohe Kerbspannungen auf. Durch Anbrin-

gen zusätzlichen Materials können diese verringert werden. Bei der Methode der Zugdreiecke

wird die scharfe Ecke symmetrisch durch Dreiecke überbrückt (Bild 28). Unter einem Winkel von

45º wird die Ecke entschärft. So entsteht weiter oben am Bauteil eine neue aber bereits stump-

fere Kerbe. Diese neue Kerbe wird mit einem weiteren Zugdreieck symmetrisch von der Mitte

des ersten Zugdreiecks ausgehend, überbrückt. Meist sind drei Zugdreiecke ausreichend, um

eine optimierte Kerbform zu erhalten.

Der Freischwinger, der in diesem Projekt als Demonstrator dient, ist zu groß für die derzeit ver-

fügbaren Lasersintermaschinen und muss deshalb aus mehreren Segmenten zusammengesetzt

werden. Deshalb wurde gezielt nach Verbindungstechniken in der Natur gesucht.

21 C. Matteck: Verborgene Gestaltgesetze der Natur Forschungszentrum Karlsruhe (2006) 22 ibid


Bild 29: Eine Muschel verankert sich mithilfe von Byssusfäden

und einem Proteinkleber fest am Untergrund © Matthew Har-

rington

Bild 30: Haftstruktur des Wilden Weins. Die Haftscheiben

verankern sich an fast jedem Untergrund © Plant Biomechanics

Group Freiburg

Halten, Fixieren und Verbinden spielt bei einer Vielzahl von Situationen im Tier- und Pflanzen-

reich eine entscheidende Rolle. Sei es die Verankerung am Standort, die Verbindung bei der

Paarung oder parasitäre Anhaftung.

Es wird unterschieden zwischen der permanenten, dauerhaften Anhaftung und der reversiblen,

wieder lösbaren Anhaftung. Bei der permanenten Anhaftung kommt in der Regel ein Klebstoff

zum Einsatz, der in Kombination mit einem Formschluss eine optimale Verbindung schafft. Typi-

sches Beispiel wären hier z. B. Muscheln, die sich mithilfe spezieller Proteine am Untergrund

festheften oder der Wilde Wein (Bild 29, 30). Erste Muschelkleber wurden auch schon in die

Technik übertragen23 Reversible Anhaftungssysteme sind sehr unterschiedlich ausgeprägt, da sie

auf die jeweilige Funktion hin optimiert sind. Ein weit verbreitetes Prinzip ist das Schlüssel-

Schloss-Prinzip, d. h. zusammengehörige Komponenten sind komplementär räumlich so aufei-

nander abgestimmt, dass nur sie miteinander agieren können.

Die Koppelorgane der männlichen und weiblichen Zuckmücken agieren nach dem Schlüssel-

Schloss-Prinzip. Es passen nur Koppelorgane derselben Art präzise zusammen. Die Kopulation

wird im Flug eingeleitet. Die Hinterleibspitze des Männchens wird in einer Einwölbung des

Weibchens verankert. Pinselartige behaarte, paarige Anhänge des Männchens schieben sich in

löffelförmig ausgehöhlte weibliche Hinterleibsanhänge. Damit die Verbindung durch Zug nicht

gelöst wird, greifen paarige Hebel zwischen Ausbuchtung und Hinterleibsanhänge.

Ebenfalls weit verbreitet sind ineinander greifende Systeme, die nach einer Art Reißverschlusssys-

tem funktionieren. Ein solches System findet sich bei den Flügeldecken des Zwergrücken-

schwimmers. Die beiden Flügelhälften werden mit nacheinander einrastenden Nuten und Nop-

pen gegeneinander fixiert Die chitinösen Strukturen werden beim Einrasten eines einzelnen Za-

ckens gedehnt und schließen sich dann wieder.24

Libellen bedienen sich einer Art Mikro-Klettverschluss, um ihren verhältnismäßig großen Kopf

aufrecht zu halten. Er funktioniert nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip: winzige halbkugelförmige

Knöpfchen greifen ineinander und geben festen Halt. Die Verbindung zwischen Kopf und Brust-

segment verfügt über feine Härchen. Aus Richtung Kopf und Brust schieben sich diese Arretie-

rungshärchen ineinander und fixieren so den schweren Kopf der Libelle. Die Verbindung hält

extrem fest, da die Enden der Härchen verdickt sind und so besonders gut aneinander haften.

Entgegen dem herkömmlichen Klettverschluss ist dieses zum einen weniger verschleißanfällig

und dazu noch stärker belastbar. Außerdem kann der neuartige Klettverschluss tausendfach

wieder verwendet werden ohne abzunutzen.

23 H. Lee et al.: Mussel-Inspired Surface Chemistry for Multifunctional Coatings, Science 318 (5849) 426-

430, (2007) 24 W. Nachtigall, K. G. Blüchel: Das Große Buch der Bionik, Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart (2000).


1.2.2 Ansatzpunkte für bionisches Design (AP 2.2)

In AP 2.2 wurde untersucht, wie sich die Nutzung naturanaloger Optimierungsprinzipien auf die

Form von Produkten auswirken, um festzustellen, welche Möglichkeiten der Konstruktion und

Gestaltung sich daraus ergeben. Die generierten Erkenntnisse wurden genutzt, um die Entwick-

lungen in AP 2.8 und 2.9 zu dokumentieren und zu steuern.

Um die konstruktiven und gestalterischen Auswirkungen naturanaloger Optimierungen von Pro-

dukten zu untersuchen, wurden umfangreiche Literaturrecherchen25 und eigene Untersuchun-

gen an heimischen Pflanzen sowie in botanischen Gärten (u. a. Kiel des Rhabarber-Blattes) be-

trieben. Die gewonnenen Ergebnisse wurden nach Relevanz für die vorliegende Aufgabe ge-

wichtet und dienten als Basis für die in AP 2.8 entwickelten Gestaltungsideen und Konzepte.

Hierzu wurden verschiedene naturanaloge Prinzipien und deren Optimierungspotenziale unter

anderem zur Steuerung der Bauteilsteifigkeit auf den unterschiedlichen Skalierungsebenen un-

tersucht. Im Anschluss wurden die Auswirkung der möglichen naturanalogen Optimierungsprin-

zipien auf die Gestaltung und Konstruktion des Demonstrators bestimmt.

Die Nutzung naturanaloger Prinzipien zur Optimierung der Eigenschaften des Demonstrators ist

auf unterschiedlichen Skalierungsebenen möglich. Jedoch ist die pauschale Anwendung eines

naturanalogen Prinzips auf allen Skalierungsebenen nicht immer möglich und sinnvoll. Es kön-

nen mehrere unterschiedliche naturanaloge Prinzipien für den Demonstrator parallel genutzt

werden. Dabei ist zu beachten, dass sich die Optimierungseffekte der einzelnen Prinzipien nicht

negativ gegenseitig beeinflussen oder gar aufheben. Für den Demonstrator ist die Anwendung

naturanaloger Prinzipien sinnvoll, welche die gezielte Steuerung der lokalen Bauteilsteifigkeit

ermöglichen und zugleich die benötigte Materialmenge reduzieren, um so ressourceneffizienten

Leichtbau zu ermöglichen. Folgende Prinzipien können auf den entsprechenden Skalierungsebe-

nen sinnvoll genutzt werden:

Makroebene: Steuerung der Steifigkeit durch die Prinzipien „Zugdreiecke“ und „Profil-

bildung“

Mesoebene: Steuerung der Steifigkeit durch das Prinzip "Elementarzellen"

Mikroebene: Steuerung der Steifigkeit durch das Prinzip "Mischung unterschiedlicher

Werkstoffe/Compoundierung"

Ein Produkt kann auf eine oder mehrere Weisen naturanalog optimiert werden. Die Optimierung

kann dabei auch gleichzeitig auf unterschiedlichen Skalierungsebenen erfolgen. Ein natürliches

Vorbild kann aber auch vielseitige Prinzipien für unterschiedliche bionische Produkte beinhalten

(siehe Publikation Bernd Hill). In jedem Fall muss bei der Verwendung eines Prinzips auf mehre-

ren Skalierungsebenen oder mehrerer Prinzipien auf einer Skalierungsebene deren Kompatibilität

geprüft werden.

1.2.3 Erstellung, Fortschreibung Gestaltungsregeln (AP 2.3)

In AP 2.3 wurde untersucht, welche besonderen Formmerkmale sich durch naturanaloge Prinzi-

pien ergeben, wie deren Wechselwirkung ist und welche Rahmenbedingungen zur Gestaltung

des Demonstrators sich daraus ergeben. So wurde z. B. ermittelt, welche Formgeometrien durch

die Verwendung von Elementarzellen gut nachgebildet werden können (AP 2.3.1).

Darüber hinaus wurden natürlich anmutende Formen und naturanalog optimierte Formen ver-

glichen, um ein Leitmotiv für das Gestaltungskonzept des Demonstrators zu entwickeln (AP

2.3.2).

Die generierten Erkenntnisse wurden genutzt, um die Entwicklungen in AP 2.8 und 2.9 zu do-

kumentieren und zu steuern.

25 u. a. R. Mattheck, W. Nachtigall, B. Hill


Bild 31: Links „Sitzkissen“, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste; rechts „Halber Pantonstuhl“,

Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

AP 2.3.1

Auf Basis der Trabekelzellen-Probekörper zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften

wurden weitere Probekörper entwickelt. Anhand der Probekörper wurde untersucht, welcher

gestalterische Eindruck sich durch die Anordnung der Elementarzellen bei unterschiedlichen ge-

ometrischen Bedingungen und Skalierungsgrößen ergibt. Hierzu wurden in Kooperation mit

dem Fraunhofer IWM Institut zunächst virtuelle Untersuchungen mittels dreidimensionaler CAD-

Modelle durchgeführt. In weiteren Schritten wurden Probekörper entwickelt, welche dann durch

den Partner RPM im Lasersinter-Verfahren gefertigt wurden. Zuerst wurde der Probekörper

"Sitzkissen" erstellt und untersucht. Dieser gab Aufschluss über Deformationsgrenzen und Ab-

bildungsgenauigkeit der Elementarzellen. Anschließend wurde der zweite Probekörper "Halber

Panton-Stuhl" erstellt. Hieran wurde untersucht, ob durch die Elementarzellen auch dünnwan-

dige Flächenbauteile mit stark variierender Flächengeometrie nachgebildet werden können. (Bild

31)

Teil 2.3.2

Zur Entwicklung eines Leitmotivs für Gestaltungskonzepte wurden die besonderen gestalteri-

schen Merkmale typischer Bionik-Produkte mit bekannten natürlich anmutenden Designproduk-

ten verglichen. Dadurch konnten die besonderen gestalterischen Rahmenbedingungen für die

Entwicklung der Form eines naturanalog optimierten Produkts festgelegt werden.

Teil 2.3.1

Die Gesamtform des Demonstrators wird durch die Nutzung naturanaloger Prinzipien, wie z. B.

Zugdreiecke, SKO, CAO oder Profilierung, welche auf der Makroebene angewendet werden,

besonders stark beeinflusst. Jedes naturanaloge Optimierungsprinzip verursacht spezifische Ge-

staltänderungen eines Bauteils. Bei der Verwendung von Elementarzellen auf der Meso-

Skalierungsebene ergeben sich bestimmte Rahmenbedingungen, die beim Gestalten eines Pro-

dukts daher beachtet werden sollten.

Nachbildbarkeit von Formen

Die Form des Freischwingers muss durch die Trabekelzellen der Mesostruktur abbildbar sein.

Hierfür gelten besondere Voraussetzungen: Keine Spitzen:


Bild 32: Rastereffekt, Copyright, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

Auf einen Punkt zulaufende dreiflächige Körperformen, wie z. B. Tetraederspitzen können nicht

gut abgebildet werden. Die Konstruktion einer abschließenden Deckfläche wird durch Richtung

und Anordnung der Stege/Arme der Elementarzellen stark erschwert. Die minimale Größe einer

Elementarzelle beträgt 7 x 7 x 7 mm3. Unterhalb dieses Werts ergeben sich an den dünnwandi-

gen Stegen der Zellen aufgrund der Schichtstärke des Verfahrens unregelmäßige Flächenab-

schlüsse, die zu unschönen Ausfransungen führen. Durch diese Mindestgrößen ergibt sich eine

bestimmte Maßvorgaben für die minimale Flächendicke von Bauteilen. Die Mindestdicke eines

Körpers liegt bei 14 mm, da hierfür eine vollständige Zellschicht mit 7 mm Dicke beidseitig von

zwei halben Zellschichten mit je 3,5 mm Dicke umschlossen wird. Dadurch werden die filigranen

Stege der Zellen geschützt und es entsteht eine nutzbare Oberfläche.

Rastereffekt/ Nachbildungsgenauigkeit

Die Bauteile verfügen über eine facettenförmige Oberfläche welche aus planaren Flächen be-

steht. Diese Oberfläche ergibt sich aus dem Rastereffekt der Elementarzellen. Je größer die Zel-

len sind, desto größer werden die planaren Flächen und umso ungenauer wird die Nachbildung

einer Form (Bild 32).

Manuelle Steuerung des Elementarzellen-Verlaufs

Die Analyse der Probekörper "Halber Panton-Stuhl" und "Sitzkissen" zeigten, dass die Hohl-

räume zwischen den Trabekeln durchgängige Reihen erzeugen, deren Verlauf die Gesamter-

scheinung des Produkts stark prägen. Dabei können ästhetisch unerwünschte optische Phäno-

mene auftreten wie z. B. abrupt endende Reihen oder versetzte Anschlüsse zwischen benach-

barten Reihen. Diese zufälligen Anordnungen ähneln dem natürlichen Wachstum. Erscheinen

diese optischen Phänomene jedoch zu deutlich, können sie die Gestalt des Gesamtobjekts stö-

ren. Für diesen Fall wurde überprüft, wie die Lage der Trabekel- Zellen mithilfe der Software

InsertSTL oder generell durch den Aufbau der CAD Datei gesteuert werden kann. Wo eine Steu-

erung unmöglich ist, können durch Vermeidung von bestimmten Formen und Details (z.B.

spitzwinkliger Dreiecks-Flächen) harmonische Reihenverläufe erreicht werden. Die Trabekelstruk-

tur kann ebenfalls in gewissen Grenzen manuell gesteuert werden. Dies ist von besonderer ge-

stalterischer Bedeutung, um den ästhetischen und gebrauchsfunktionellen Eindruck durch eine

nachträgliche


Bild 33: Natürlich anmutende Formen: links Hauser & Wirth Table, Copyright Zaha Hadid, rechts Bone chair, Copyright, Joris

Laarman, www.jorislaarman.com

Anpassung zu optimieren. Unregelmäßige Mustergeometrien, welche beim automatischen Ras-

tern der Bauteile entstehen, können dadurch geordnet werden.

Ästhetischer Leichtbau

Die durchschnittliche Einzelgröße der Elementarzellen eines Bauteils ist ebenfalls entscheidend

für den optischen Eindruck, der beim Betrachter entsteht. Je kleiner die durchschnittliche Größe

der Elementarzelle ist, desto geschlossener erscheint der Bauteilkörper - das Produkt wirkt volu-

minös und schwer. Je größer die durchschnittliche Größe der Elementarzellen ist, desto offener

erscheint die Bauteiloberfläche - das Produkt wirkt filigran und leicht. In Absprache mit Fraun-

hofer IWM wurde daher versucht, bei der Konstruktion der Zellverteilung möglichst große Zellen

zu verwenden, um den Aspekt des Leichtbaus auch optisch gut darzustellen (Bild 32).

Segmentierung von Bauteilen

Der Demonstrator besteht aus technologischen und ökonomischen Gründen aus mehreren

Segmenten, die durch eine stoffschlüssige Verbindung gefügt werden. Dadurch entstehen Fü-

genähte und unterschiedliche Oberflächenstrukturen.

AP 2.3.2

Generell erkennen Laien bionische Produkte nicht und verwechseln sie oft mit biologisch-natür-

lich anmutenden Formen. Geschwungene, fließende Freiformen werden dabei aufgrund ihrer

formalen Nähe zu natürlichen Vorbildern oft fehlinterpretiert (Bild 33). Ein formal natürlich an-

mutendes Produkt erscheint für den Laien durch diese Formmerkmale schon bionisch, bzw. na-

turanalog optimiert, obwohl es tatsächlich keine bionischen Aspekte aufweist. Das Verwechse-

lungspotenzial ist sehr groß, daher sollte die Verwendung bestimmter Merkmale natürlich an-

mutender Formen für ein Bionik-Produkt mit Bedacht erfolgen.

AP 2.3.1

Jedes naturanaloge Funktionsprinzip verursacht spezifische Gestaltänderungen beim Produkt

welches optimiert wird. Diese Gestaltänderungen wirken sich nicht nur auf die Skalierungsebene

aus, auf der das Prinzip angewendet wurde, sondern ziehen auch weitere Nebeneffekte auf

anderen Skalierungsebenen nach sich. Die konstruktiven und gestalterischen Auswirkungen sind

entsprechend der Skalierungsebene ebenfalls unterschiedlich stark ausgeprägt und erfordern

neben einer naturanalogen Optimierung von Funktion und Konstruktion auch eine ästhetische

Optimierung. Für ein gut gestaltetes Bionik-Produkt müssen daher die Auswirkungen der ver-

wendeten Prinzipien nicht nur konstruktiv sondern auch gestalterisch interpretiert und integriert

werden (Bild 34).


Bild 34: Gestalterische Optimierung, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

Bild 35: Aibo, Copyright Sony

AP 2.3.2

In diesem Zusammenhang kann jedoch auch diskutiert werden, inwiefern die Wahrnehmung

einer Produktgestalt und die Erweckung einer entsprechenden subjektiven Emotion auch die

Funktionsweise der Bionik erfüllt. Werden bestimmte Formmerkmale eines natürlichen Vorbilds

in ähnlicher Kombination zur Gestaltung eines Produkts verwendet, kann dieses Produkt eine

gleiche Reaktion beim Betrachter erwecken, wie das natürliche Vorbild selbst. So z. B. lässt sich

das "Kindchenschema", zu diesen semiotischen Phänomenen zählen. Bionik besteht nicht in der

Kopie der Natur sondern in der Übertragung der Funktionsprinzipien in einen anderen Kontext.

Beim Kindchenschema besteht das Funktionsprinzip in der Nutzung bestimmter Formmerkmale

zur Steuerung der menschlichen Wahrnehmung und des daraus resultierenden Verhaltens.


Der „Roboter-Hund Aibo“ von Sony ist nicht bionisch, da die entscheidenden Bewegungsfunkti-

onen und sein Körperbau nicht naturanalog sind. Die Form und die daraus resultierenden gestal-

terische Anmutung erwecken beim Betrachter jedoch dieselben Emotionen (Bild 35).

1.2.4 Erstellung, Fortschreibung Pflichtenheft (AP 2.4)

In AP 2.4 wurde - basierend auf den bionischen Erkenntnissen sowie den ergonomischen Analy-

sen von Referenzpersonen und Nutzungsumgebungen - ein Pflichtenheft aus der Sicht des In-

dustriedesigns erstellt. Darin wurde zusammengefasst, welche generellen funktionalen und

technologischen Anforderungen der Demonstrator erfüllen sollte. Die generierten Erkenntnisse

wurden genutzt, um die Entwicklungen in AP 2.8 und 2.9 zu dokumentieren und zu steuern.

Hierzu wurden alle relevanten Erkenntnisse in einem zentralen Dokument zusammengefasst und

bei Bedarf durch skizzenhafte Darstellungen näher beschrieben. Die Erkenntnisse wurden auf

den jeweiligen Partner- und Projekttreffen mit den Verbundpartnern diskutiert und anschließend

im zentralen Dokument aktualisiert. Die einzelnen Aspekte des Pflichtenheftes wurden entspre-

chend ihrer Priorität mit drei unterschiedlichen Kategorien gekennzeichnet.

Kategorie Muss: Die Erfüllung dieser Bedingungen durch den Demonstrator ist auf jeden

Fall erforderlich.

Kategorie Soll: Die Erfüllung dieser Bedingungen durch den Demonstrator wird ange-

strebt.

Kategorie Kann: Die Erfüllung dieser Bedingungen durch den Demonstrator ist wün-

schenswert.

Das Pflichtenheft wurde in AP 1.3 erarbeitet (siehe S. 16) Die Nutzung der gebräuchlichen Ent-

wicklungsmethode des Pflichtenheftes hat in diesem Zusammenhang deutlich gezeigt, dass auch

der Bereich der Forschung und Entwicklung eines Design-Produkts mit komplexen und neuarti-

gen technologischen Aspekten sehr gut unterstützt wird.

1.2.5 Kontextanalyse zu Technik und Material (AP 2.5)

In AP 2.5 wurde untersucht, welche besonderen Rahmenbedingungen für die Fertigung des De-

monstrators im Lasersinterverfahren unter Verwendung von Kunststoffpulvern gelten und wel-

che Auswirkungen diese auf die Entwicklung des Demonstrators haben. Hierzu wurde unter-

sucht, welche konstruktiv-gestalterischen Einschränkungen sich aus der Kombination der Ferti-

gungstechnologie und der Verwendung der Elementarzellen ergeben und welche weiteren Ge-

staltungsmöglichkeiten durch die Nachbehandlung der Werkstückoberfläche möglich sind. Die

generierten Erkenntnisse wurden genutzt, um die Entwicklungen in AP 2.8 und 2.9 zu doku-

mentieren und zu steuern.

Es wurden zunächst unterschiedliche Quellen aus der Fachliteratur und dem Internet ausgewer-

tet, um einen generellen Überblick über das Thema Rapid Prototyping zu erlangen. Hierzu wur-

den bekannte Designprodukte, welche im Rapid Prototyping-Verfahren gefertigt wurden, auf

die Anwendung der unterschiedlichen Verfahren analysiert und die daraus resultierenden be-

sonderen gestalterischen Merkmale zusammengefasst. Danach wurden die bedeutsamsten Pro-

dukte im direkten Austausch mit dem Fertigungspartner RPM diskutiert und somit weitere tech-

nologische Details zum Kunststoff-Lasersintern von Strukturen mit Elementarzellen in Erfahrung

gebracht.


Bild 36: Links „Haus der Köcherfliegenlarve“, Copyright www.umweltseminare.net rechts: „Cellular Loop-in-parts“,Copyright:

Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

Bauraumgröße, Bauteilsegmentierung und Fügen: Aus gestalterischer Sicht ist das Problem des

beschränkten Bauraums von besonderer Bedeutung. Da es immer Produkte geben wird, die zu

groß für den jeweils aktuell größten verfügbaren Bauraum sind, wurde das Thema der Bau-

teilsegmentierung generell näher betrachtet. In diesem Fall wurden ebenfalls nach natürlichen

Vorbildern für die Fügung von Bauteilen gesucht. So z. B. löst die Natur vergleichbare Aufgaben

mit einer Klebung, wie beim röhrenförmigen Haus der Köcherfliegenlarve (Bild 36).

So konnten weitere Erkenntnisse für einen segmentierten Freischwinger abgeleitet werden. Die

Fügestellen der im Lasersinter-Verfahren gefertigten Segmente müssen gestalterisch berücksich-

tigt bzw. kaschiert werden, damit das gesamte Produkt "wie aus einem Guss" erscheint. Dazu

sollte die Segmentierung des Bauteils optisch so unauffällig, wie möglich erfolgen. In Absprache

mit Fraunhofer IWM und RPM wurden die Fügeflächen mittig durch die Zellstreben gelegt, um

neben einer optischen Kaschierung gleichzeitig eine größtmögliche Fügefläche für eine stoff-

schlüssige Verbindung zu schaffen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Segmente einer Ge-

ometrie im Bauraum durch Stapeln so angeordnet werden, dass der Raum optimal genutzt wird,

wodurch sich eine ungleichmäßige Oberfläche der Segmente ergibt. Das Produkt wirkt im

schlimmsten Fall dadurch wie ein Flickenteppich, da mehrere unterschiedliche Oberflächenquali-

täten zusammengefügt werden. Die Wertanmutung wird dadurch erheblich reduziert. Dieser

Effekt ist jedoch aufgrund der ökonomischen und technologischen Anforderungen nicht zu um-

gehen, weshalb im AP 2.8 weitere Möglichkeiten der Kaschierung durch eine farbliche Beschich-

tung untersucht wurden.

Volumenkörper und nicht versintertes Kunststoffpulver: Volumenkörper mit vollständig ge-

schlossener Oberfläche sollten aus Gründen der Gewichtsersparnis und der Materialeffizienz das

Entfernen des nicht versinterten Pulvers aus dem Bauteilinneren ermöglichen. Bei der Verwen-

dung der Trabekelzellen ergeben sich aufgrund der Formgeometrie Durchdringungen der Ober-

fläche in regelmäßigen Abständen von selbst. Diese müssen jedoch so angeordnet und dimensi-

oniert sein, dass das nicht versinterte Pulver mittels Druckluft und Abrasivmittel problemlos her-

ausgeblasen werden kann. Eine abschließende Kontrolle und eventuelle Korrektur der dreidi-

mensionalen CAD Daten ist daher vor der Fertigung unbedingt erforderlich.

Dauerbeständigkeit und Reinigbarkeit: Polyamid12-RP-Bauteile sollten nachbehandelt werden,

um die poröse Oberfläche zu versiegeln, zu glätten und somit gegen Umwelteinflüsse zu egali-

sieren. Dadurch kann das Produkt auch gereinigt und gepflegt werden und behält einen dauer-

haft hochwertigen Eindruck. Zudem wird dem Vergilben des Polyamid-Kunststoffs vorgebeugt,

welcher durch UV-Lichteinstrahlung nach einigen Wochen gelblich anläuft. Im AP 2.8 wurden

weitere Möglichkeiten der Kaschierung dieses Effekts durch eine farbliche Beschichtung unter-

sucht.

http://www.umweltseminare.net/


Generelle positive Merkmale gegenüber traditionellen Fertigungsverfahren:

Durch die sogenannten Schichtaufbauverfahren können Bauteile mit hoher Formkomplexität

generiert werden. Für die Herstellung dieser Bauteile werden keine Werkzeuge oder Formen

benötigt, weshalb jedes Bauteil auch als Unikat gefertigt werden kann. Zudem können unter-

schiedliche Produkte innerhalb eines Fertigungsschritts erstellt werden. In einem Fertigungsbau-

raum können so Bauteilsegmente für z. B. einen Stuhl, eine orthopädische Prothese oder einen

Fahrradhelm parallel erstellt werden. Es können jedoch auch herkömmliche Serienbauteile pro-

duziert werden. Hierbei ist ebenfalls von Vorteil, dass keine unterschiedlichen Ausgangsmateria-

lien und Werkzeuge für die Produktion vorgehalten und gerüstet werden müssen. Produkte

können ohne große Zeitverzögerung auf Anfrage produziert werden. Diese besonderen Merk-

male verdeutlichen die Einzigartigkeit des Kunststofflasersinterverfahrens. Ein in Serie gefertigtes

RP-Produkt sollte sich in gewissen Aspekten von Produkten, welche in traditionellen Massenpro-

duktionsverfahren (z. B. Kunststoffspritzguss) gefertigt wurden unterscheiden, um genau diese

Vorzüge des RP-Verfahrens zu demonstrieren. Die technologische Entwicklung der Maschinen

führt in absehbarer Zeit zur Steigerung der Leistungen (größer, präziser, schneller...) und Reduk-

tion der Kosten. Bei der Kontextanalyse zu Trends, Markt, Wettbewerb in AP 2.6 wurden diese

Szenarien daher gleichermaßen berücksichtigt.

1.2.6 Kontextanalyse zu Trends, Markt, Wettbewerb (AP 2.6)

In AP 2.6 wurde untersucht, welche Erfolgsaussichten am Markt der Demonstrator, bzw. bioni-

sche Produkte allgemein haben. Die generierten Erkenntnisse wurden genutzt, um die Entwick-

lungen in AP 2.8 und 2.9 zu dokumentieren und zu steuern.

Unterschiedliche Quellen in Fachzeitschriften und im Internet wurden durchsucht. Zudem wur-

den diverse nationale und internationale Möbelmessen besucht, wie die IMM in Köln oder die

Salone del Mobile in Mailand.

Im Rahmen einer informellen Aktualisierung wird auf ähnliche und relevante Gestaltungen hin-

gewiesen, die während der Messen IMM und Orgatec auftauchten: CoolChair und der Stapel-

stuhl Moire von harechair. Beide Stühle wirken aufgrund des verwendeten Materials transpa-

rent. Unabhängig von Ressourcenschonung und Leichtbau zeigt sich hier ein gestalterischer

Trend.

Nach wie vor ähnlich erscheint die Materialität des Moiré von Harechair, der auf der letzten Mö-

belmesse in Köln im Januar 2011 begutachtet wurde. Die Sitzschale ist mittels Tauchkernen

auch im üblichen Spritzguss herzustellen und hat entsprechend keine mittlere Trabekelschicht.

Diese wird besonders durch Einfärbungen hervorgehoben. Der generelle Trend zu Materialien,

die auch mithilfe von Durchbrechungen eine Art Transparenz zeigen, ist vom letzten Messebe-

such dokumentiert und hält an. Zur genauen Beobachtung des Marktgeschehens wurde auch

die diesjährige Möbelmesse wieder aufmerksam betrachtet, zusammen mit dem Projektpartner

Authentics. Auf der IMM 2012 wurde unter anderem der „Coral“-Stuhl der Herstellers Harechair

präsentiert. Das Gestaltungsmotiv „Transparenz durch Durchbrüche im Material“ steht im Vor-

dergrund der Formgebung. Im Gegensatz zu dem Modell „Moiré“, das noch über Stuhlbeine

aus Stahlrohr verfügt, wird der neue „Coral“-Stuhl aus einem Stück im herkömmlichen Kunst-

stoff-Spritzguss-Verfahren gefertigt.

Für die Definition eines Nutzungsszenarios muss zwischen dem Gebrauch bei den aktuellen Fer-

tigungskosten und den zukünftig angestrebten Fertigungskosten unterschieden werden. Aktuell

wird der Demonstrator aufgrund der hohen Fertigungskosten wahrscheinlich eher als Kunstwerk

angesehen. Deshalb wurde der Demonstrator als einzeln freistehender Lounge-Sessel konzipiert.

Zukünftig wird sich aber aufgrund der Weiterentwicklung der Fertigungstechnologien eine

preisgünstigere Fertigung realisieren lassen.

Für eine Kaufentscheidung steht unter anderem die ordentliche Funktion eines Produkts im Vor-

dergrund. Der naturinspirierte Ursprung der Funktion ist für viele Käufer nicht relevant.


1.2.7 Kontextanalyse zu Ergonomie/Nutzerverhalten (AP 2.7)

In AP 2.7 wurde untersucht, welche Geometrie der optimale Demonstrator für ein angenehmes

Sitzen aufweisen und wie stark ausgeprägt der Schwingeffekt bei dieser Konstruktion sein sollte.

Die generierten Erkenntnisse wurden genutzt, um die Entwicklungen in AP 2.8 und 2.9 zu do-

kumentieren und zu steuern.

Hierzu wurden zunächst die entsprechenden Normen und Richtlinien, wie z. B. die DIN EN 1022

Wohnmöbel - Sitzmöbel - Bestimmung der Standsicherheit oder die DIN EN 1728 Möbel für den Wohnbereich - Sitzmöbel - Prüfverfahren zur Bestimmung der Festigkeit und Dauerhaltbarkeit ausgewertet. Es wurden zwei unterschiedliche Teststände konzipiert, gefertigt und erprobt. Die

Resultate dieser Untersuchung dienten der ergonomischen Optimierung. Hierzu wurden Pro-

banden unterschiedlicher Größe und Körperstatur nach ihrem subjektiven Empfinden befragt.

Anhand des ersten Teststands Geometrie wurden die optimalen geometrischen Werte für Para-

meter wie Sitzhöhe, Sitzneigung, Sitztiefe und Lehnen-Neigung ermittelt (Bild 37, 38). Die Werte

wurden durch die Probanden so lange variiert, bis sie eine für sie angenehme Sitzgeometrie er-

zeugt hatten. Hierzu konnten die entsprechenden Werte unabhängig voneinander eingestellt

werden.

Danach wurde der zweite Teststand Schwingen mit den zuvor ermittelten optimalen Werten

konstruiert (Bild 39). Dieser diente dazu, subjektive Urteile über das Schwingverhalten des Frei-

schwingers zu erhalten. Die Elastizität der vorderen Beinpartie konnte bei diesem Teststand

durch die Anzahl der eingesetzten Holzstäbe variiert werden. Die Tests mit den Probanden er-

folgten dann mit einer konstanten Steifigkeit, um bei unterschiedlicher Körperstatur die Grenzen

der elastischen Deformation in Abhängigkeit vom subjektiven Empfinden zu untersuchen. Dabei

sollte der zuvor festgelegte Mittelwert bestätigt werden, welcher für Personen unterschiedlicher

Körperstatur ein gleichermaßen akzeptables Empfinden des Schwingeffekts ermöglicht.

Konsumenten richten bestimmte Erwartungen an ein Freischwinger-Sitzmöbel. Das Produkt

muss diesen hinsichtlich Komfort, Sicherheit und Stabilität Rechnung tragen. Bei einer paramet-

risch steuerbaren Konstruktion und der Fertigung in einem werkzeuglosen Verfahren wäre eine

Anpassung des Schwingverhaltens auf die Körpermaße einer Person möglich, jedoch besteht

aufgrund der starken Variation dieser Werte ein erhebliches Unfallpotenzial. Würde sich eine

Person mit vergleichsweise starkem Körperbau auf den Freischwingerstuhl setzen, welcher für

eine Person mit vergleichsweise leichtem Körperbau kalkuliert und gefertigt worden ist, kann es

zum Versagen der Konstruktion kommen. Das Produkt könnte in diesem Fall beschädigt oder

zerstört werden und die Person könnte dadurch ebenfalls zu Schaden kommen. In Abstimmung

mit den Forschungspartnern und den Ergebnissen des AP 2.6 wurde deshalb eine Konstruktion

mit einer einheitlichen Steifigkeit bevorzugt.

Zudem war für die Definition des Schwingeffekts zu beachten, dass sich die in der Literatur vor-

gegebenen Werte für Stühle nur auf vollkommen ausgesteifte Sitzmöbel beziehen. Durch die

Belastung einer sitzenden Person ändert sich jedoch auch die Geometrie des Freischwinger-

Stuhls. Diese Geometrieänderung ist abhängig von der Konstruktion des Sitzmöbels. So ändert

sich z. B. beim klassisch konstruierten Freischwinger durch eine Belastung der Sitzfläche eben-

falls der Winkel der Rückenlehne in Bezug zur Bodenfläche. Ist dieser Effekt zu stark ausgeprägt,

kann das Sitzen als unangenehm empfunden werden, da bei einer zu starken Neigung der Rü-

ckenfläche das Gefühl des Umkippens erzeugt wird. In diesem Fall muss durch eine genau be-

stimmte Steifigkeit der Federweg der Rückenlehne so berechnet werden, dass möglichst viele

Personen von unterschiedlicher Körperstatur die Schwingfunktion noch als angenehm empfin-

den.


Bild 37 Teststand Sitzgeometrie, Copy-

right: Innovation & Gestaltung, Folk-

wang Universität der Künste

Bild 38: Nutzeruntersuchung, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität

der Künste

Bild 39: Teststand Schwingen, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

Produkte, die konstruktiv auf Konsumentenbedürfnisse angepasst werden können und ver-

gleichsweise hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, beinhalten ein hohes Unfallrisiko,

wenn sie von Dritten genutzt werden. Wenn eine Nutzung durch Dritte üblich ist, muss durch

Maßnahmen ein Versagen der Konstruktion ausgeschlossen werden. Wird in diesem Fall eine

einheitliche Maßnahme angewendet, ergibt sich für die Personen, auf deren besondere Merk-

male das Produkt nicht angepasst wurde eine eingeschränkte Funktionalität. Dadurch werden

jedoch auch die Fertigung vereinfacht und die Kosten gesenkt.

1.2.8 Gestaltungsideen und -Konzepte (AP 2.8)

In AP 2.8 wurden unterschiedliche Gestaltungsideen und-Konzepte auf Basis der in AP 2.3 er-

stellten Gestaltungsregeln und der in AP 2.4 erarbeiteten Pflichtenheftes der For iterativ ausge-

arbeitet, bewertet und optimiert. (AP 2.8.1) Zudem wurden unterschiedliche technologische

Konzepte zur Farbgestaltung untersucht (AP 2.8.2).

AP 2.8.1 Formgestaltungsideen & Konzepte

Hierzu wurde zuerst eine umfassende Recherche zu Konstruktionsprinzipien von Freischwinger-

stühlen durchgeführt. Es wurden Quellen aus der Fachliteratur, dem Internet und den Besuchen

von Möbelausstellungen und Messen genutzt. Die Ergebnisse dieser Recherche wurden in Form

vereinheitlichter Konstruktionsdarstellungen zusammengefasst und verglichen.


Bild 40: Konstruktionsfavoriten, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

Bild 41: Mockups (links), 3D-CAD-Modelle (rechts) Copyright: Innovation & Gestaltung,

Folkwang Universität der Künste

Bild 42: 3D-FDM-Modelle im Maßstab

1:5 Copyright: Innovation & Gestal-

tung, Folkwang Universität der Künste

Auf Basis der entwickelten Gestaltungsregeln wurden Konzepte zur Formgebung ausgearbeitet

unter besonderer Berücksichtigung von Ästhetik und Funktionalität, werkstoffgerechtem Mate-

rialeinsatz, verfahrensgerechter Formgebung, zutreffender Anwendung der Elementarzellen und

Kombinationen verschiedener biologischer Prinzipien. Durch die Annahme potenzieller Nut-

zungsszenarien sowie der technologischen Umsetzbarkeit wurden drei unterschiedliche Kon-

struktionsprinzipien für eine detailliertere Untersuchung ausgewählt; Der Traditionelle, Der Prak-tische und Der Interessante (Bild 40).

Danach wurden verschiedene Gestaltungskonzepte entsprechend biologischer Vorbilder entwi-

ckelt und diskutiert. Daraus resultieren zahlreiche Entwürfe (Bild 41, 42).

Erkenntnisse Demonstrator

Ein Freischwinger kann nach verschiedenen geometrischen Prinzipien konstruiert sein. Die Be-

sonderheiten des Fertigungsverfahrens sollten dabei auch explizit in der Formgebung gezeigt

werden. Der Schwingeffekt wird durch die unterschiedlichen Steifigkeiten innerhalb der Kon-

struktion des Stuhls ermöglicht. Die Schwingbewegung erfolgt bei fast allen herkömmlichen

Modellen nur mit einem Freiheitsgrad. Die geometrischen Konstruktionselemente eines Frei-

schwingers können auf Knoten-, Stäben-, und Flächenbauteile reduziert werden. Nach Anord-

nung dieser Elemente zueinander ergeben sich bei Belastung ein unterschiedliches Schwingver-

halten und eine andere Belastungsgeometrie.


Bild 43: Konstruktionsprinzipien, Copyright: Innovation

& Gestaltung, Folkwang Universität der Künste Bild 44: Konstruktionsvarianten, Copyright: Innovation & Gestal-


Die Nutzung naturanaloger Prinzipien wirkt sich ebenfalls auf die Belastungsgeometrie aus. So

können z. B. nicht alle naturanalogen Prinzipien mit jedem Konstruktionsprinzip von Freischwin-

gern aus funktionalen Gründen sinnvoll kombiniert werden. Für den Demonstrator wurde des-

halb das Konstruktionsprinzip "Traditionell" in Kombination mit dem naturanalogen Prinzip

"Profilierung" genutzt. Die "hohle Seite" des Profils erfüllt dabei zugleich einen ergonomischen

Zusatznutzen, indem sie ein angenehmeres Sitzen im Bereich der Sitz- und Rückenfläche ermög-

licht. Zudem wird eine höhere Standsicherheit erzielt, da sich im Bereich der Standfläche durch

die Profilierung nur eine linien- bzw. punktförmige Bodenauflage ergibt, anstatt einer vollflächi-

gen. (Bild 43, 44).

Erkenntnisse allgemein

Für bionische Produkte können die besonderen Vorteile naturanaloger Funktionsprinzipien nicht

nur eine direkte Optimierung bewirken, sondern auch eine indirekte. Bei geschickter Kombinati-

on der funktionalen und gestalterischen Merkmale naturanaloger Prinzipien können weitere

Anforderungen, die an das Produkt gestellt werden, ebenfalls durch diese erfüllt werden. In der

Phase der Konzeption werden hierfür entscheidende Weichen gestellt. Aus diesem Grund ist die

genaue Analyse aller Funktionsaspekte der naturanalogen Prinzipien in Bezug auf das Produkt

als Gesamtergebnis von besonderer Bedeutung.

AP 2.8.2 Technologische Konzepte zur Farbgestaltung

Hierzu wurden zunächst Einfärbetests mit unterschiedlichen Beschichtungs- und Färbestoffen

durchgeführt (Bild 45). Dazu wurden Ausschussteile aus Polyamid12 verwendet, sodass eine

erste Aussage über die generelle Eignung der einzelnen Färbe- und Beschichtungsmethoden

erfolgen konnte. In einem zweiten Schritt wurden Probekörper aus Elementarzellen mit den ge-

eigneten Methoden behandelt. Dadurch konnten ebenfalls Erkenntnisse über die gestalterische

Anmutung eingefärbter Bauteile mit Elementarzellenaufbau gewonnen werden. Hierfür wurden

zudem nicht nur einfarbige Proben erstellt, sondern auch unterschiedliche Farben, Farbtöne und

Effektfarben untereinander kombiniert.


Bild 45: Eingefärbte Probeteile“, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

Um die Beständigkeit gegen Abrieb, Verschmutzung und UV-Einstrahlung zu untersuchen, wur-

den weitere Proben angelegt, die beim Forschungspartner Fraunhofer UMSICHT weiter unter-

sucht wurden (Tab. 4).


Polyamid12-RP-Bauteile sollten beschichtet werden, um die poröse Oberfläche zu versiegeln, zu

glätten und somit gegen Umwelteinflüsse zu egalisieren. Die ungleichmäßige Oberfläche der

einzelnen Segmente sowie die Klebefugen können so auch in einem Arbeitsschritt optisch ka-

schiert werden und die Wertanmutung des Produkts steigern. Darüber hinaus kann durch eine

passende Einfärbung die Besonderheit der Baustruktur gestalterisch hervorgehoben werden,

indem das Alleinstellungsmerkmal der parametrisch steuerbaren Zellstruktur deutlicher hervor-

tritt. Dazu kann eine einfarbige oder eine mehrfarbige Einfärbung erfolgen.

Für die einfarbige Variante der Sinterbauteile können herkömmliche Textilfarben verwendet

werden. Dabei wird das Bauteil in einem warmen, sauren Wasserbad unter Zugabe des Färbe-

mittels durchgefärbt. Hierfür können fertige Produkte, wie "Lanaset" des Unternehmens

"Huntsman" genutzt werden. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus Reaktiv-, Dispersi-

ons- und Säurefarbstoffen. Die Abriebbeständigkeit ist aufgrund der vollständigen Durchfärbung

besonders gut. Die Poren der Oberfläche werden in diesem Fall jedoch nicht durch eine Einlage-

rung von Partikeln verschlossen. Unterschiede in der Oberflächenqualität des Bauteils können

auf diese Weise nicht besonders gut kaschiert werden.

Für die zweifarbige Variante der Sinterbauteile können zur Beschichtung 1K-Wasser-Lacke auf

Polyurethanbasis verwendet werden (Parkettlack). Dieser Lack weist gegenüber den anderen

untersuchten Beschichtungen eine Vielzahl positiver Eigenschaften auf, wie hohe Elastizität, Här-

te (Kratzfestigkeit) und UV-Beständigkeit (Schutz des Polyamid12 gegen Vergilben). Der Lack

kann durch Zugabe von Farbpigmenten auch für eine ein- oder zweifarbige Beschichtung von

Polyamid-Sinterbauteilen mit Trabekelstruktur genutzt werden. Bei einer zweifarbigen Beschich-

tung ist zu beachten, dass der verwendete Lack ein gutes Verhältnis von Pigmentdichte, Viskosi-

tät und Füllstoffanteil aufweist. So kann nach einmaligem Tauchbeschichten eine ausreichende

Füllbarriere für verlauffreies Auftragen einer zweiten Deckschicht mit eine anderen Farbe auf die

Werkstückoberfläche erfolgen.


Tabelle 4: Abriebsproben, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

Diese zweite Farbbeschichtung kann dann im Tampondruck-Verfahren erfolgen, sodass die Bau-

teilinnenstruktur eine andere Farbe aufweist als die Bauteilaußenfläche.

Erkenntnisse allgemein:

Die gestalterischen relevanten Erkenntnisse für die Einfärbung von Kunststoffsinterbauteilen mit

Trabekelstrukturen können wie folgt zusammengefasst werden:

Effektfarben

Grundsätzlich sollten aus gestalterischen Gründen für die Einfärbung keine Effektfarbe (z. B.

Metallicfarbe, Neonfarbe, etc.) verwendet werden. Eine Effektfarbe zieht die Aufmerksamkeit

des Betrachters zu stark auf sich und tritt optisch somit in direkte Konkurrenz zu dem herausra-

genden Technologiemerkmal, den Trabekelzellen. Für die Einfärbung der Werkstücke sollten

deshalb nur Standardfarbtöne verwendet werden.


Bild 46: Eingefärbter 40% Demonstrator, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

Bild 47: Fertigungsprozess Demonstrator Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

Farbkonzept

Für die Werkstückoberfläche sollte im Gegensatz zu der inneren Trabekelstruktur eine andere

Farbe gewählt werden. Dadurch wird das optische Zusammenspiel von Werkstückkonturen und

Innenstruktur verstärkt und ein spannungsvolles und interessantes Gesamterscheinungsbild er-

zeugt. Es sollten jedoch keine zu dunklen Farben, wie z. B. anthrazit oder schwarz für die innere

Zellstruktur verwendet werden, da es hierdurch zu einem unvorteilhaften optischen Effekt

kommt. Die innere Struktur wirkt so kaum noch wahrnehmbar, da das Zusammenspiel von inne-

ren Schattenwürfen und dunkler Farbe bei unvorteilhafter Beleuchtung zu einem schwarzen


Gesamthintergrund verschmilzt. Dadurch sind keine Details der Zellstruktur mehr erkennbar und

das herausragende Technologiemerkmal scheint verschwunden (Bild 46).

Farbkontrast

Die Außenflächen sollten in einem dunklen Farbton und die Trabekelfüllung in einem mittelhel-

len Farbton angelegt werden (Hell-Dunkel-Kontrast, z. B. blau innen und dunkelblau außen).

Dieser Farbkontrast ist auch für die technologische Umsetzung gut geeignet, da die helle Farbe

einfacher von einer dunkleren überdeckt werden kann. Für die zweifarbige Gestaltung sollte ein

Qualitätskontrast gewählt werden, da dieser im Gegensatz zu einem Komplementärkontrast

oder Kalt-Warm-Kontrast optisch nicht zu stark in Konkurrenz zu der geometrischen Form der

Trabekelzellen tritt sondern die Wahrnehmung dieses besonderen Technologiemerkmals unter-

stützt (Körper mit besonderer Struktur „gefüllt“).

1.2.9 Umsetzung Entwürfe und Designmodelle (AP 2.9)

In AP 2.9 wurden die im AP 2.8 entwickelten Gestaltungsideen und -Konzepte mit unterschiedli-

chen Darstellungsmethoden umgesetzt. Dabei wurde der erreichte Know-how-Zugewinn in Be-

zug auf die skalenübergreifende Optimierung und die Möglichkeiten der fertigungstechnischen

Umsetzung fortwährend berücksichtigt. Von einer makroskopisch optimierten Form, verbunden

mit einer Trabekelstruktur, die beide bionische Gestaltungsmerkmale aufweisen, wurden zu-

nehmend die äußeren und inneren Strukturen/Ebenen in dem Gestaltungsprozess zu einem Ge-

samtobjekt verknüpft. Für verschiedene Versionen des Demonstrators wurden - in Zusammenar-

beit mit dem Fraunhofer IWM - Festigkeitsberechnungen zur weiteren Optimierung durchge-

führt.

Zu Beginn wurden die Entwürfe wurden u. a. zweidimensional als Skizzen oder dreidimensional

als Mock-up bzw. CAD-Modell entworfen. Die Wichtigsten davon wurden wiederum als dreidi-

mensionale Modelle im Maßstab 1:5 per Rapid Prototyping umgesetzt und in Bezug auf die For-

schungsziele mit den Projektpartnern besprochen. Die anhand der Probekörper "Halber Panton-

stuhl" und "Sitzkissen" gewonnenen Erkenntnisse und die Ergebnisse der Versuchsreihen mit

den beiden Teststühlen flossen in mehreren Iterationsschritten in einen überarbeiteten Cellular

Loop /„unendliche Schleife“-Entwurf ein. Die unterschiedlichen Detailvarianten dieses Entwurfs

wurden wiederum im Maßstab 1:5 bei per Rapid Prototyping umgesetzt. Im Anschluss jedes

Iterationschritts wurden die dreidimensionalen CAD-Daten dem Fraunhofer IWM zur "Trabekeli-

sierung" und Belastungssimulation übermittelt. Nach der Festlegung der Gesamtform werden

nun die vielen Details ausgearbeitet - in enger Kooperation mit den Partnern.

Zum Beispiel wurden im Bereich der Durchdringung die Verlaufslinien der Trabekel dem natürli-

chen Vorbild der Jahresringe bei Astgabelungen nachempfunden, um dort nach dem Vorbild des

Baumes eine Festigung der Durchdringung zu bewirken. In enger Abstimmung mit Fraunhofer

IWM wurden die vorderen Füße des Freischwingers ausgearbeitet, um einerseits eine möglichst

geringe Störung der Gesamtform, andererseits aber auch eine gute Standfestigkeit und natürlich

ausreichende Stabilität zu erreichen. Für die Standfestigkeit wurden die vorderen Füße nach vor-

ne um eine Trabekelreihe verlängert - zuerst rein visuell bei Folkwang, dann real, d. h. hier inklu-

sive FEM-Berechnung bei IWM. Entlang der Seitenkanten des Demonstrators wurde auf Anre-

gung von Folkwang bei IWM in Freiburg die Verrundung verbessert. Diese tritt deutlicher hervor,

wenn die einzelnen Trabekel, die sich hier berühren, im Winkel aufeinander zu bewegen. Dieses

Detail wirkt sich aber deutlich auf die Gesamterscheinung aus.


Für das "Schlüsselbundproblem" kann eine geschlossene Oberfläche vorteilhaft sein, die aber

die Sichtbarkeit der Makrostruktur verschlechtern und die Extraktion des nicht versinterten Pul-

vers verhindern würde.


Bild 48: Freischwinger in der Entwicklung links: erste Outline Skizze, rechts: erste 3D-Darstellung Copyright: Innovation & Gestal-


In Absprache mit den Partnern wurde festgelegt, dass eine individuelle Anpassung der Steifigkeit

des Demonstrators auf das Körpergewicht eines bestimmten Nutzers für das Gesamt-Projektziel

nicht sinnvoll ist. Durch eine andere, zu schwere Person könnte der Stuhl als Bauteil versagen.

Außerdem widerspricht eine ausschließliche Benutzung durch nur eine Person dem Anspruch

der Nachhaltigkeit. Dennoch kann die Form des Demonstrators individuell anpassbar sein, indem

eine Individualisierung der Konstruktion in wenig belastete Bereiche erfolgt.

Der finale Entwurf Cellular Loop ist durch ein unendliches Band, welches sich selbst durchdringt,

gekennzeichnet. Der Entwurf wäre in dieser Form durch herkömmliche Fertigungsverfahren

nicht realisierbar und ist deshalb als gestalterisches Merkmal zur Verdeutlichung der Vorteile der

RP-Fertigungstechnologie sehr gut geeignet (Bild 48).

Material mit höherer Festigkeit führt zu weniger Materialbedarf. Daraus folgt: Der Demonstrator

kann in bestimmten Zonen noch filigraner gestaltet werden, wird aber dementsprechend auch

weniger schwingen oder schneller brechen.

Um Spannung an der Oberfläche zu vermeiden, ist es sinnvoll, dort Material hinzuzuge-

ben. Daraus folgt: Die Sitz- und Nutzseite des Demonstrators wird mehr Material bein-

halten, das ist sowohl gebrauchsfunktional als auch für die technische Umsetzung von

Vorteil.

Durch den Einsatz von weniger Löchern wird die Spannung im Material verringert, der

Einsatz an Material wird jedoch erhöht. Daraus folgt: Der Demonstrator kann je nach

Anforderung sowohl große als auch kleinere Lochung gebrauchen.

Werkstoffe mit elastischen Eigenschaften führen zu veränderter Materialqualität: Die

weiche Oberfläche ermöglicht einen Einsatz für Sitzflächen oder als Stuhlfüße (Anti-

Rutsch-Noppen).

Da der Cellular Loop-Stuhl aus mehreren Segmenten zusammengesetzt werden muss,

werden diese Segmente möglichst kompakt in den Bauraum gestapelt. So wird das ver-

fügbare Volumen optimal genutzt - im Sinne einer nachhaltigen Fertigung.


Bild 49: CAD-Modellvariante Nr. 20 mit erster Trabekelstruktur Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang

Universität der Künste

Bild 50a: Entwicklung Proportionen Modellvariante

Nr. 17 Copyright: Innovation & Gestaltung, Folk-

wang Universität der Künste

Bild 50b: CAD mit Trabekel & Radien Copyright: Innovation

& Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

Bild 51: Rendering Fußlösung Copyright: Innovation & Gestal-


Bild 52: Testmodell der finalen Ergonomie für

Cellular Loop Copyright: Innovation & Gestal-



1.2.10 Methodik, die den Designprozess bionischer Produkte anhand einer Bot-

tom-up-Vorgehensweise unterstützt

oder

Wie findet man eine konkrete Produktanwendung, wenn ein interessan-

tes natürliches Prinzip entdeckt wurde?

Zusätzlich zum Arbeitsplan wurde eine Methodik entwickelt, die den Designprozess bionischer

Produkte anhand einer Bottom-up-Vorgehensweise unterstützt. Dadurch können auf Basis eines

vielversprechenden Funktionsprinzips, welches in der Natur entdeckt wurde, konkrete und zu-

treffende Produktanwendungen generiert werden.

Hierzu wurden zunächst unterschiedliche Ansätze der Entwicklung von Produkten untersucht,

wie z. B. gängige methodische Vorgehensweisen des Industrial Designs, der Bionik oder die

VDI/VDE Richtlinien Nr. 2424 "Industrial Design - Grundlagen, Begriffe, Wirkungsweisen" und

Nr. 2223 "Methodisches Entwerfen technischer Produkte".


Das "Bionic-Manufacturing-Verfahren" eignet sich selbstverständlich auch für weitere Anwen-

dungsgebiete. Naheliegende Produktgruppen sind individuell angepasste Prothesen sowie per-

sönlich optimierte Protektoren oder Sportgeräte, wie z. B. Taucherflossen oder Fahrradrahmen.

Im Sinne eines "Reverse Engineering" kann das "Bionic Manufacturing-Verfahren" auch zur

Erzeugung kaschierter Sollbruchstellen dienen, um hierdurch lokal spezifische Steifigkeit inner-

halb eines Bauteils bei ebenmäßiger Außenfläche zu ermöglichen. Eindeutig kommunizierbar ist

die Anwendung des "Bionic Manufacturing-Verfahrens" im Bereich Leichtbau. Naheliegende

Anwendungsfelder sind hier Ultraleichtflugzeuge, z. B. als Werbeträger für Solarzellen. Zur Iden-

tifizierung alternativer Demonstratoren wurden klassische Innovationstechniken wie Brainstor-

ming, 653-Methode oder morphologische Matrix verwendet. Diese Methoden wurden modifi-

ziert, um weitere überzeugende Anwendungen zu identifizieren.

Erkenntnisse allgemein

Zur Auffindung von Produktanwendungen für neue Technologien wurde auf Basis der methodi-

schen Vorgehensweise zur Identifizierung alternativer Demonstratoren des "Bionic Manufac-

turing-Projekts" eine allgemeine neue Methode entwickelt. Diese wurde auch im Rahmen der

"Direct Digital Manufacturing Conference" im März 2012 in Berlin mit einem Beitrag vorgestellt

- Die assoziative Technologie und Kontext Matrix (Bild 53).

Bei dieser Vorgehensweise zur Auffindung von Produkt-Anwendungen für neue Technologien

werden die natürlichen unterbewussten Denkprozesse genutzt, um die Lösung eines Problems

zu entwickeln. Hierbei werden unterschiedliche Stadien eines kreativen Prozesses in Anlehnung

an die vier Phasen des kreativen Prozesses nach Hermann von Helmholtz durchlaufen. Dabei

sollen bestimmte Begriffe genutzt werden, um durch deren assoziative Verknüpfung die Gene-

rierung von Produktideen zielorientiert zu lenken. Das Produkt und sein Nutzungsumfeld werden

als Einheit betrachtet, um eine einfachere gedankliche Orientierung anhand einer bildhaften

Vorstellung zu ermöglichen.

Im ersten Schritt, der Preparation, werden zuerst die Begriffe entsprechend bestimmter Katego-

rien zusammengestellt. Dazu werden Begriffe, welche die besonderen Aspekte der neuen Tech-

nologie beschreiben verwendet, wie z. B. die besonderen Eigenschaften, die Zielrichtung oder

allgemeine Grundfunktion der Technologie. Durch die Nutzung des Formulierungsschemas der

allgemeinen Grundfunktionen kann im folgenden Schritt auch eine gedankliche Entfernung von

der ursprünglichen Problemstellung erfolgen.


Bild 53: Kontextmatrix, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

Durch diese Abstraktion wird die Auffindung von Ideen ermöglicht, welche zunächst inhaltlich

nicht direkt zutreffend erscheinen. Die gedankliche Verknüpfung mit der Aufgabenstellung er-

möglicht oftmals jedoch entscheidende Assoziationsprozesse, um zu einer bis dato nicht denk-

baren Idee zu gelangen.

Anhand unterschiedlicher Kontexte werden ebenfalls Begriffe zusammengetragen, die das Nut-

zungsumfeld des Produkts (Szenario), detailliert beschreiben. Hierzu werden die sogenannten

W-Fragen entsprechend beantwortet (Wer? Was? Wie? Warum? …)

Im zweiten Schritt, der Inkubation, werden die Begriffe zu Gruppen, den sogenannten Begriffs-

Pools zusammengefasst. Bei der Zusammenfassung kann auf drei unterschiedliche Weisen vor-

gegangen werden:

Systematisch: Aus jeder Zeile einer Spalte (1.1 - 1.9) werden die Begriffe zu einem Pool gefügt.

(Bild 53) zufällige Vorgehensweise: Per Zufall wird aus jeder Zeile (1.1 - 1.9) ein Begriff gewählt

und zu einem Pool hinzugefügt. Begriffe können auch mehrfach genutzt und zu unterschiedli-

chen Begriffs-Pools hinzugefügt werden.

Intuitiv: Nach Gespür/Plausibilitäts-Empfinden wird aus jeder Zeile (1.4 - 1.10) ein Begriff ge-

wählt und zu einem Pool gefügt. Begriffe können auch mehrfach genutzt und zu unterschiedli-

chen Begriffs-Pools hinzugefügt werden.

Bei der zufälligen und der intuitiven Vorgehensweise wird ebenfalls ein neues Szenario generiert,

indem die Kontext-Begriffe der ursprünglichen Szenarien vermischt werden.

Im dritten Schritt, der Illumination, erfolgt die Entwicklung von Produktideen, indem die Begriffe

eines Pools zu einer plausiblen und bildhaften Gedankenvorstellung zusammengefügt werden.


Bild 54: Finite Elemente Simulation des strukturgradierten Stuhls Cellular Loop. Hohe Spannungen (rot) treten im Stützbereich des

unteren Rückens, in der oberen Beugung der Rückenlehne und teilweise an den Stegen der Übergänge der einzigen Öffnung von

der Sitzfläche nach hinten auf.

Dabei werden die Assoziationen von den Begriffen des Pools gelenkt. Es müssen nicht unbedingt

alle Begriffe eines Pools für die Assoziation verwendet werden. Begriffe, welche zuerst nicht für

die Verknüpfung zu einer Idee verwendbar erscheinen, sollten jedoch als Anreiz betrachtet wer-

den, um durch sie zu einer unkonventionellen Idee zu gelangen. Ein Begriffs-Pool kann zu meh-

reren Produktideen führen.

Im vierten Schritt, der Verifikation, werden die entwickelten Produktideen dann durch das Ab-

gleichen mit den Ausgangsanforderungen bewertet, ausgewählt und ausgearbeitet.

Diese Vorgehensweise erfordert neben kontinuierlicher Übung auch Kenntnisse im Bereich der

gestalterischen Produktentwicklung, zur Generierung der kontextabhängigen Begriffe. Mit zu-

nehmender Zahl von Begriffen erhöht sich die Komplexität der Aufgabenstellung. Die parallele

Betrachtung von Produkt und Nutzungsumfeld vereinfacht jedoch auch die bildhafte Gedanken-

Vorstellung und steigert die Erfolgsaussichten.

1.2.11 FEM Simulation Stuhl (AP 2.10, Fraunhofer IWM)

Am Fraunhofer IWM wurde das Stuhldesign Cellular Loop einer FEM Belastungsanalyse unter-

worfen. Dabei wurde auf experimentelle Materialdaten zurückgegriffen, die in Bild 54 gewon-

nen wurden. Durch die reguläre Zellenstruktur konnte aufgrund einiger weniger Experimente

mit ausgewählten Prüfkörpern Vorhersagen getroffen werden über das Verhalten des mikro-

strukturierten Stuhls. Die berechnete Tragfähigkeit des Stuhls nach Anpassung der Mikrostruktur

lag bei 150 kg.

1.2.12 Definition Belastungskörper (AP 2.11, Fraunhofer IWM)

Es wurde mit unterschiedlichen Belastungskörpern gearbeitet. In Bild 54 wurde eine paraboli-

sche Schale verwendet. Diese wurde relativ weit hinten platziert, da diese Sitzposition die höchs-

ten Spannungen an den kritischen Übergängen am hinteren Ende der Sitzfläche erzeugt. Teil-

weise wurde auch statt eines spitzen Belastungskörpers mit verteilten Drucklasten gearbeitet.

Dadurch konnten unrealistische Spannungsspitzen im Kontaktbereich vermieden werden. Die

Drucklasten wurden dabei gleichmäßig über einen gewissen Bereich der Sitzfläche verteilt, so-

dass eine Gesamtlast von 150 kg entstand.


Bild 55: Schliffbild eines Bambus-Stamms. Charakteristisch ist die

Zunahme der Längsfasern in radialer Richtung hin zum Rand.

Bild 56: Detailaufnahme eines Glasschwamms. Die periodische,

rechtwinklige Struktur dient der Festigkeit des Hohlkörpers. Sie

hat darüber hinaus auch einen ästhetischen Wert.

Bild 57: Querschnitt durch einen Oberschenkelknochen Os femuris. Dieser besteht im Bereich des Kopfes aus sogenannten Trab-

ekeln der Substantia spongiosa.

1.3 AP 3 Bionische Strukturierung (Fraunhofer IWM)

1.3.1 Identifikation biologischer Vorbilder (AP 3.1)

Als biologische Vorbilder wurden mehrere Exemplare aus Flora, Fauna und dem menschlichen

Körper ausgewählt. Aus der Flora wird häufig der Bambus als Inspirationsquelle für die Architek-

tur genommen (Bild 55). Dieser weist neben der äußeren Hohlzylinderstruktur mit periodischen

„Zwischenböden“ auch innerhalb der äußeren Randschicht eine belastungsoptimierte Struktur

auf: Die Zahl der Festigkeit erhöhenden Längsfasern nimmt radial deutlich zu. So sind die am

höchsten belasteten Bereiche (an der Oberfläche) gleichzeitig die mit der höchsten Tragfähigkeit.

Material wird also dort verwendet, wo die höchsten Belastungen auftreten.

Ein weiteres Vorbild aus der Fauna ist der Glasschwamm (Bild 56). Dieser lebt im Gegensatz zum

Bambus in der Tiefsee, ist also gänzlich anderen Anforderungen ausgesetzt. Der Glasschwamm

verwendet eine periodische, rechtwinklige Struktur um diesen Anforderungen gerecht zu wer-

den und nutzt diese Struktur auch zur Lichtleitung. Das Ergebnis ist auch aus ästhetischer Sicht

inspirierend.

Als letztes Beispiel wurde der Oberschenkelknochen gewählt (Bild 57). Dieser entstammt wiede-

rum einer anderen Umgebung als der Bambus und der Glasschwamm. Entsprechend anders sind

auch hier die mechanischen Anforderungen.


Bild 58: Zylinderkreuz unter Scherbelastung vor (links) und nach der Computer Aided

Optimization (CAO, rechts). Die auftretenden Spannungen (rot) sind deutlich reduziert

worden.

Bild 59: Geometrie der Basiszelle wie von

Kowalczyk vorgeschlagen 26

Im Bereich des Kopfes besteht der Knochen aus vielen feinen Knochenbälkchen (Trabekeln).

Diese sind entlang der Kraftlinien angeordnet, um die Kräfte, möglichst ohne Unterbrechung

oder Umlenkung, weiterleiten zu können.

1.3.2 Entwurf bionischer Elementarzellen (AP 3.2)

In Anlehnung an die biologischen Vorbilder sollte eine rechtwinklige Elementarzelle gefunden

werden. Diese sollte sich an den Knochenbälkchen der spongiosa orientieren. Als weiteres

Hilfsmittel wurde die Computer Aided Optimization („CAO“) verwendet.27 Diese simuliert das

Gestaltoptimierungsverhalten von Bäumen numerisch auf dem Computer. Als Ausgangsgeome-

trie wurde ein einfaches Zylinderkreuz gewählt, welches im Schnittpunkt leicht verrundet war.

Die Feinheiten der Struktur wurden sowohl unter Zugbelastung (nicht gezeigt), als auch unter

Scherbelastung (Bild 58) optimiert. Es zeigte sich, dass die Geometrie bei reiner einachsiger Zug-

belastung bereits weitgehend optimal ist. Die Form der Querschnittfläche der Trabekelarme

spielt dabei keine Rolle. Anders sieht es bei Scherbelastung aus. Hier muss die Verrundung zwi-

schen zwei senkrechten Armen einen deutlich größeren Radius aufweisen (Bild 58, linkes Bild

unoptimiert gegen rechtes Bild optimiert).

Diesen Ergebnissen folgend wurde eine Elementarzelle gewählt, die sowohl unter Zug-, als auch

unter Scherbelastung ein gutes mechanisches Verhalten aufweist (Bild 59). Die Standardbasiszel-

le hat eine Raumausfüllung von ca. 17 % und weist eine uniaxiale Zugfestigkeit von ca. 5 % des

Vollmaterials auf.

1.3.3 Variationsparameter Geometrie (AP 3.3)

Entsprechend der biologischen Vorbilder soll sich die innere Geometrie an den Lasten orientie-

ren. Zusätzliches Material soll in den Bereichen höchster Spannungen verwendet werden. Die

Trabekelarme sollen sich entlang der Kraftlinien orientieren. Deshalb wurde eine Reihe unter-

schiedlicher Elementarzellen entwickelt. Diese orientieren sich geometrisch an der Standardzelle

(Bild 60), weisen aber verstärkte Trabekelarme auf. Dabei wurde jeweils die uniaxiale Zugfestig-

keit verdoppelt.

26 P. Kowalczyk. Elastic properties of cancellous bone derived from finite element models of parameterized

microstructure cells. Journal of Biomechanics, 36:961-972, 2003. 27 C Mattheck, S Burkhardt „A new method of structural shape optimization based on biological growth”

Int. J. Fatigue, 12 (1990), pp. 185–190


Bild 60: Links: Standardelementarzelle, Mitte: doppelte Elementarzelle, Rechts: Vierfache Elementarzelle

Bild 61 Links: Gebogene Ausgangsgeometrie. Rechts: Von StlInsert erzeugte Geometrie mit einfachen Elementarzellen wie in Bild 60

gezeigt.

Es gibt neben der Standardbasiszelle mit ca. 5 % Zugfestigkeit des Vollmaterials eine doppelte

Basiszelle mit 10 % Zugfestigkeit und eine vierfache Basiszelle mit 20 % Zugfestigkeit (Bild

61).Die gezeigten Zellen weisen jeweils Flächensymmetrie an den drei lokalen Koordinatenflä-

chen auf. Zusätzlich wurden Geometrien für asymmetrische Zellen mit einer bevorzugten Raum-

richtung entworfen (hier nicht gezeigt).

1.3.4 Variationsparameter Materialeigenschaft (AP 3.4)

Da die Materialeigenschaften innerhalb des Projekts nicht variiert wurden, wurde die Variation in

der Simulation auf strukturelle Änderungen beschränkt.

1.3.5 Zusammenfügen der Elementarzellen (AP 3.5)

Für das Zusammenfügen der unterschiedlichen Elementarzellen wurde in Python die Software

StlInsert geschrieben. Diese fügt Basiszellen aneinander, sorgt für kontinuierliche Übergange der

Trabekelarme und einen glatten Abschluss an der Oberfläche. Dabei sind auch gekrümmte und

gebogene Geometrien möglich. Ein Beispiel ist in Bild 62 gezeigt.

1.3.6 Simulation des homogenen Probekörpers (AP 3.6)

Für die spätere Homogenisierung der Zelleigenschaften wurden Finite Elemente Modellierungen

(FEM) einer würfelförmigen Probegeometrie erstellt (Bild 62). Diese Geometrien wurden zur Fer-

tigung von Probekörpern für die experimentelle Validierung an rpm geschickt. Mittels der FEM

wurden Steifigkeitseigenschaften für diese Zellstruktur vorhergesagt. Der E-Modul liegt demnach

bei 7,9 % des homogenen Materials. Der Schubmodul liegt bei 2 % des homogenen Materials.


Bild 62: Links: Geometrie der würfelförmigen Probekörper, Mitte: Simulation von Spannungsverteilungen in diesen Körpern, Rechts:

Experimentelle Validierung an einem Probekörper.

Bild 63: Ein 2D-Designentwurf von C. Mattheck wurde modifiziert und digitalisiert, einer Belastung und einer Volumenoptimierung

unterzogen (grün. neutral, rot: reduziert, blau: expandiert).

1.3.7 Experimentelle Validierung (AP 3.7)

Für die experimentelle Validierung wurden Probekörper in zwei Größen (Kantenlänge 21 mm

und 30 mm) gefertigt. Diese wurden unter Druck-, Zug- und Scherbelastung geprüft. Dabei

wurde nicht nur der Probekörper insgesamt ausgewertet, sondern über eine Videoüberwachung

auch die Deformation der Stege und Hohlräume verfolgt. Der Abgleich der experimentellen Er-

gebnisse mit denen aus der FEM zeigte eine gute Übereinstimmung. (Bild 62)

1.3.8 Simulation gradierte Probekörper (AP 3.8)

Es wurden keine gradierten Probekörper simuliert, da experimentelle Daten für die Validierung

fehlten

1.3.9 Beratung, vergleichende Berechnungen durch das KIT (AP 3.9)

Das Design der makroskopischen Form wird von Folkwang erstellt. Da das äußere Design bereits

die Möglichkeiten aller späteren Schritte bestimmt, wurde zunächst der umgekehrte Informati-

onsfluss aufgebaut indem die Möglichkeiten der bionischen Optimierung zwischen KIT und

Fraunhofer IWM ausgetauscht wurden. Ein 2D-Designentwuf von C. Mattheck wurde am

Fraunhofer-IWM digitalisiert und bionisch optimiert, indem maximale Zugspannungsbereiche

entschärft wurden (Bild 63).

In belasteten Bereichen natürlicher Strukturen sind Löcher und notwendige Aussparungen häu-

fig sowohl hinsichtlich des Materials (E-Modulverteilung, gerichtete Anisotropie) als auch der

Form optimiert. Die dem Baum zugefügten Löcher verheilen spindelförmig28 (Bild 64).

28 C. Mattheck, Design in der Natur


Bild 64: Bohrt man ein Kreisloch in eine Pappel, stirbt der unterbelastete Bereich des Kambiums über und unter dem Kreisloch weg

und durch neu gebildete Holzfasern entsteht eine Spindelform (links). Schnitzt man direkt eine Spindelform in den Baum, so ver-

schließt sich die Wunde zwar auch, aber gestaltähnlich!

Bild 65: Zelluläre Struktur des geplanten Bauteils mit Aussparungen

in der Oberfläche.

Bild 66: Modell einer am oberen und unteren Rand translato-

risch in x- und z-Richtung fest eingespannten, durch senk-

recht auf die Platte wirkende Kräfte (Pfeile) belasteten Platte.

Wo die Kreisform erhalten bleiben muss, z. B. bei der Blutversorgung des Knochens, werden die

Gefäße schräg zur Knochenlängsachse durch die Wandung geführt29, sodass der Lochquer-

schnitt - parallel zur Knochenwand betrachtet - elliptisch ausfällt.

Die Oberfläche des Demonstratorbauteils (Bild 65) wird nicht geschlossen sein, sondern zahlrei-

che Aussparungen aufweisen, die den Blick auf den zellulären Aufbau erlauben sollen. Damit

diese Aussparungen in der mechanisch hoch belasteten Oberfläche die Struktur möglichst wenig

schwächen, erscheint insbesondere hier eine Formoptimierung nach natürlichen Vorbildern, sehr

effektiv und mit den geplanten Produktionsverfahren auch umsetzbar. Dies kann analog natürli-

cher Vorbilder durch Wahl von Ellipsen als Aussparungsform erfolgen.

Um den Einfluss von Form und Größe der Durchbrüche auf die Spannungen zu untersuchen,

wurde exemplarisch ein Plattenmodel (Bild 66) erstellt und mit der Finite-Element-Methode

(FEM) linear-elastisch analysiert.

29 D. Currey, Stress concentrations in bone


Bild 67: Aussparungsform 1: Quadratisch mit ausgerundeten

Ecken, groß. A=2990.

Bild 68: Aussparungsform 2: Quadratisch mit

ausgerundeten Ecken, klein. A=5548.

Bild 69: Aussparungsform 3: Kreis, groß. A=3572. Bild. 70: Aussparungsform 4: Kreis, klein. A=6085.

Bild 71: Aussparungsform 5: Ellipsen. A=4630.

Die Halbachsendurchmesser und Orientierungen der Ellipsen wurden entsprechend der Belas-

tung, also in Abhängigkeit der lokalen Spannungen gewählt. Die Orientierung der Ellipsen er-

folgte in Richtung der 1. Hauptnormalspannung (), die Ellipsendurchmesser a und b wurden

proportional zu den Hauptnormalspannungen gewählt.

Das geringste Plattengewicht kann mit der Aussparungsform 1 mit großen ausgerundeten

Quadraten erreicht werden (Bild 67), doch diese Form verursacht auch die höchsten Spannun-

gen. Die Wahl von variablen Ellipsen als Form für die Aussparung führt zu den geringsten Span-

nungen bei relativ geringer Zunahme des Gewichts. Die Ellipsen senken in hoch belasteten Be-

reichen die Spannungen sowohl durch den größeren tragenden Querschnitt zwischen den Ellip-

sen als auch durch die formbedingt geringeren Spannungskonzentrationsfaktoren (Bild 72).


Bild 72: Vergleich der Spannungen und des Plattengewichts bei den unterschiedlichen Aussparungsformen, bezogen auf die Aus-

sparungsform 4, kleiner Kreis.

Anmerkungen zu Optimierungsmöglichkeiten an der Oberfläche

Eine Oberflächenschicht sollte auf die Struktur aufgebracht werden. Material in dieser

Schicht erweist sich aufgrund der auftretenden Biegespannungen als höchst effektiv. Als

Optimierungsmöglichkeit eröffnet sich hierbei noch die Dicke der Oberflächenschicht,

die in Abhängigkeit der lokalen Belastung gewählt werden sollte.

Die Materialeigenschaften (geringere Zug- als Druckfestigkeit, Anisotropie) können durch

Gewichtungsfaktoren in die Ellipsenparameter a, b, einfließen, sodass z. B. eine auf Zug

belastete Ellipse kleiner gewählt wird als eine mit gleicher Magnitude druckbelastete.

Um weiteres Material in der Oberflächenschicht einzusparen, können in unterbelasteten

Bereichen gerundete Quadrate (ursprüngliche Form) statt Ellipsen gewählt werden.

Optimierung durch Zugdeformation

In Ergänzung zum Optimierungsansatz von Löchern und Durchbrüchen mittels Ellipsen wird ein

weiterer Ansatz der Formoptimierung durch Zugdeformation vorgestellt. Die Ergebnisse bauen

auf richtungweisende Arbeiten von R. B. Heywood auf.30 Eine Formverbesserung ist sowohl ex-

perimentell durch dehnungsfähige Werkstoffe möglich, gegebenenfalls auch iterativ, als auch

durch Finite-Elemente Simulationen. Die folgenden FEM Berechnungen (Bild 73,74) wurden line-

ar-elastisch, geometrisch nichtlinear vorgenommen.

Bild 73: Prozedur der Kerbformoptimierung durch Zugdeforma-

tion des Bauteils, Herausschneiden der gewünschten Kerbde-

formation und Unterdrückung der ungewünschten Deformatio-

nen der Bauteilaußenmaße.

Bild 74: Rechnerischer Nachweis des Kerbspannungsabbaus

durch Zugdeformation, (rot: hohe Spannungen, blau: geringe

Spannungen).

30 Photoelasticity for Designers, 1969


Bild 75: Kerbspannungsabbau an einem Schlitz unter Schubbelastung A) rechnerisch mit FEM (rot: hohe Spannungen, blau: gerin-

ge Spannungen), die Hauptzugspannungen am Schlitz werden um ca. 31% reduziert B) experimentell an Moosgummiplatten.

Bild 76: Der Versagensmechanismus des Unglücksbalkens im Wurzelanlauf A) und Ast B).

Der „Unglücksbalken“ - Kritischer Querzug im Inneren stark gekrümmter, anisotroper Bauteile

Als „Unglücksbalken“ werden stark gekrümmte Baumteile bezeichnet, die hauptsächlich durch

Wind und Eigengewicht aufgebogen werden, wodurch Längsrisse entstehen. Dieses Versagen ist

wenig bekannt, da es in dieser Form nur bei anisotrop aufgebauten Bauteilen auftritt. Isotrope

Strukturen versagen bei gleicher Geometrie und Belastung durch Querriss oder plastische De-

formation. Auch kann das versagensauslösende Querzugmaximum bei FEM-Analysen leicht

übersehen werden, da es sich unter der Bauteiloberfläche befindet.

Der Versagensvorgang des „Unglückbalkens“ sollte bei der Auslegung des Freischwingers be-

achtet werden, da dieses ungewöhnliche Versagen aufgrund der Freischwingergeometrie, seiner

Belastungszustände und Anisotropie eintreten kann.

Eine Windlast bewirkt im Baum auf der windzugewandten Seite axiale Zugspannungen (Bild 76).

Im Bereich des Wurzelanlaufs erfahren diese axial gerichteten Zugspannungen eine durch die

Krümmung hervorgerufene Umlenkung. Dabei entsteht eine resultierende Querkraft. Die

dadurch bedingten lokalen, radial gerichteten Querspannungen können die Zugfestigkeit des

Holzes in Querrichtung, die deutlich geringer ist als in Längsrichtung, übersteigen und eine Spal-

tung der Faserbündel (Faserdelamination) auslösen. Dies kann auch in anderen stark gekrümm-

ten Baumteilen wie z. B. Ästen stattfinden.


Bild 77: Der „Unglücksbalken“ im Freischwinger (FEM: Fraunhofer IWM).

Der Freischwinger weist eine Krümmung zwischen Sitzfläche und Lehne auf (Bild 77), die beim

Zurücklehnen aufgebogen wird, was zu einem lokalen Querzugmaximum im Inneren führt. Aus

seinem Aufbau aus Einheitszellen resultieren makroskopisch anisotrope Eigenschaften, sodass zu

prüfen ist, ob die Dicke der radial verlaufenden Stege der Einheitszellen dort ausreicht, das

Querzugmaximum unbeschadet zu ertragen.

1.4 AP 4 Kooperative Optimierung (IWM)

1.4.1 Homogenisierung der Zelleigenschaften für geradlinige Strukturen (AP 4.1)

Für die Homogenisierung der Zelleigenschaften wurden die experimentellen Ergebnisse der Pro-

bekörper in Materialeigenschaften für die zelluläre Struktur überführt. Um diese zu validieren,

wurden mehrere strukturierte Biegebalken von rpm gefertigt und diese am Fraunhofer IWM

geprüft (Bild 78). Biegebalken eignen sich für die Validierung, da hier Druck-, Zug- und Scherbe-

lastung in einem Bauteil auftreten.

Die so gewonnenen Spannungs-Dehnungskurven wurden mit Modellierungsergebnissen vergli-

chen (Bild 78). Insbesondere die gute Vorhersage der Tragfähigkeit rechtfertigt die Homogenisie-

rung der Materialeigenschaften (Vorhersage Modell: 551N, gemessen 560N).

1.4.2 Homogenisierung der Zelleigenschaften für gekrümmte Strukturen (AP 4.2)

Die Übertragung der Homogenisierung auf gebogene Geometrien wurde anhand gekrümmter

Biegebalken validiert. Diese wurden mit verschiedenen Krümmungen gefertigt (mit Öffnungs-

winkeln von 0° bis 50°). Die Prüfung ergab, dass diese Balken auch bei erhöhten Krümmungen

gleiche oder höhere Tragfähigkeiten haben als die rechtwinkligen Biegebalken. Die Homogeni-

sierung wurde so auch für gebogene Geometrien validiert. (Bild 79)

1.4.3 Simulation des gradierten Stuhls (AP 4.3)

Es wurden verschiedene Versionen der Stuhlgeometrie simuliert, ausgehend vom ursprünglichen

Soft Loop, über SL13, SL17, SL18, SL20 bis zum finalen Cellular Loop. Die berechnete Tragfähig-

keit sollte eine konservative Abschätzung der tatsächlichen Tragfähigkeit sein. Es zeigte sich bei

diesen Stuhldesigns eine mechanische Spannungskonzentration an den Übergängen von der

Sitzfläche zu der hinteren Rückenlehne (Bild 80). Die Übergänge sollten nach Möglichkeit ver-

stärkt werden, was auch in den verschiedenen Entwürfen sukzessive umgesetzt wurde.


Bild 78: Links: Modell und Probe eines Biegebalkens. Rechts: Validierung der homogenisierten Materialeigenschaften anhand des

Experiments.

Bild 79: Links: Biegebalken mit einer Krümmung von 50° in der Prüfmaschine. Rechts: Tragfähigkeiten der Balken in Abhängigkeit

vom Krümmungsgrad.

Bild 80 Links: Erstes Stuhldesign Soft Loop. Die Elemente wurden entsprechend der auftretenden Spannungen farblich kodiert.

Insbesondere am Übergang nach hinten treten viele überlastete Elemente (blau markiert) auf. Rechts: Computer Aided Optimization

der Stuhlgeometrie.

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

-8 -6 -4 -2 0

Traversenweg (mm)

Kra

ft (

N)

Experiment

Simulationhomogenisiertes Material


Bild 81: Mechanische Prüfung des skalierten Stuhls im Design Cellular Loop.

1.4.4 Optimierungslauf des gradierten Stuhls (AP 4.4)

Eine CAO-Simulation des Übergangs an dem Design Cellular Loop ergab ein gleichmäßiges

Wachstum des Steges in alle Richtungen (Bild 80). Zur Optimierung der Mikrostruktur wurden

verschiedene Basiszellen entwickelt (Bild 60). Durch die automatische Verteilung dieser Basiszel-

len entsprechend den in der FE-Simulation berechneten Spannungen konnte die Tragfähigkeit

des Gesamtstuhls um den Faktor vier erhöht werden. Dies gelang durch eine automatisierte

Auswertung der FE-Ergebnisse durch das Programm StlInsert, welches die jeweils gewünschte

Basiszelle an der entsprechenden Stelle des Stuhls einfügt. Der Stuhl erhält so eine gradierte

Mikrostruktur, die sich biologisch an der Spongiosa im Oberschenkelknochen orientiert, ästhe-

tisch an Glasschwämmen anlehnt und mechanisch die Materialverteilung des Bambus imitiert.

1.4.5 Simulation und Optimierung gradierter Stuhl (AP 4.5, AP 4.6)

Ein Materialgradient konnte während der Projektlaufzeit nicht auf Stuhlebene realisiert werden.

1.4.6 Vergleich Prototyp und Simulation (AP 4.7)

Vor der Fertigung des Prototyps wurden zwei im Verhältnis 1:2,5 skalierte Stühle gefertigt. Einer

dieser Stühle enthielt die gradierte Mikrostruktur, einer war aus den einfachen Basiszellen auf-

gebaut. Der Stuhl mit der gradierten Mikrostruktur wurde am Fraunhofer IWM auf seine Tragfä-

higkeit hin geprüft (Bild 81). Die berechnete Tragfähigkeit für die skalierte Version betrug min-

destens 240 N. Diese Rechnung war konservativ, da für den gesamten Stuhl die Materialdaten

senkrecht zur Aufbaurichtung angenommen wurden. Entlang dieser Richtung weisen im Selecti-

ve Laser Sintering (SLS) gefertigte Bauteile die geringste Festigkeit auf. Für die Berechnung mit

konservativer Abschätzung wurde dieses Materialverhalten für alle Richtungen angenommen.

Zusätzlich wurde die äußerste Randschicht besonders verstärkt. Dieses Vorgehen erfolgte in

Analogie zum biologischen Vorbild (Bild 78).Die Prüfung erfolgte bis zu einer Last von 440 N. Bis

zu dieser Last konnte keine Beschädigung am Stuhl festgestellt werden. Dadurch konnte die

Mikrostruktur des Prototypen in Originalgröße etwas luftiger und offener gestaltet werden, was

dem Design entgegenkommt.


Tabelle 5: Zusammenstellung der ausgewählten Materialien.

Materialart Handelsname Stoffbasis Kürzel Hersteller Shore-Härte

Polyamid 12 Polyamid 12 Duraform PA12 PA12-D 3D-Systems 73D

Polyamid 12 Polyamid 12 Orgasol PA12 PA12-O Arkema 78D

Polyamid 12 Vestosint 2157 PA12 Vesto Evonik Degussa 75D

TPA PEBAX ES Black 9002 PA/PEther PBlack Arkema 47D

TPA PEBAX 3533SP01 PA/PEther P35 Arkema 35D

TPA PEBAX 4033SP01 PA/PEther P40 Arkema 40D

TPA Vestamid E40S3 PA12/PTHF V40 Evonik Degussa 40D



TPU Elastollan 1185A PU/PEther E1185A BASF 87A

1.5 AP 5 Eigenschaftsvariable Sinterpulver (UMSICHT)

1.5.1 Untersuchung von Polymerblends und Kompositen (AP 5.1 – AP 5.5)

Ursprünglich wurden beim SLS überwiegend amorphe Thermoplaste wie Polycarbonat (PC), Ac-

rylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Polyvinylchlorid (PVC) eingesetzt. Unter den teilkristallinen

Thermoplasten hat sich besonders Polyamid 12 (PA12) in sehr kurzer Zeit als der Standardwerk-

stoff beim SLS durchgesetzt, aufgrund der erzielbaren hohen Festigkeiten und hohen Bauteil-

dichten von 95 -98%.

Deshalb soll Polyamid 12 als Hauptbestandteil der verwendeten Polymerblends erhalten und

hierzu kompatible Polymere mit anderen Eigenschaften gesucht werden. Tabelle 5 zeigt die ver-

wendeten Polymere: Duraform und Orgasol sind spezielle Lasersintermaterialien. Vestosint ist ein

Material für das Wirbelsintern. Pebax, Vestamid und Elastollan sind Materialien mit einer wesent-

lich geringeren Härte, die als elastische Komponente eingesetzt werden sollen. Die SLS-

Materialien und das Wirbelsintermaterial liegen bereits pulverförmig vor. Die anderen Materia-

lien müssen kryogen gemahlen und anschließend durch Sieben auf die gewünschte Korngrö-

ßenverteilung eingestellt werden. Von allen Materialien wurde die Nullscherviskosität bestimmt.

Tabelle 6 gibt die ermittelten Eigenschaften der Materialien und eine subjektive Bewertung nach

Schulnoten wieder.

Die Verträglichkeit der TPEs mit dem Matrixpolymer PA12 kann durch Verträglichkeitsvermittler31

verbessert werden, die mit Maleinsäureanhydrid gepfropft sind. Ziel ist, beide Komponenten

chemisch miteinander dreidimensional zu vernetzen (Bild 82). Die endständigen Amingruppen

greifen an der Carbonylgruppe des Maleinsäureanhydrids an. Dabei entsteht zunächst eine

Amidsäure, die sich beim Erhitzen unter Abspaltung von Wasser weiter zu einem Imid umsetzt.

Ab einer Temperatur von über 180 °C werden die Maleinsäureanhydridgruppen aktiviert.

Zunächst werden Mischungen (50:50) der verschiedenen Polymere hergestellt. Um eine intensive

Mischung zu erreichen, werden mit Mahlkugeln gefüllte Gefäße auf einem Rütteltisch, Vibrati-

onssiebmaschinen und ein Hochleistungsmischer eingesetzt; es sind aber keine Auswirkungen

des Mischverfahrens auf die Eigenschaften der Endmischung feststellbar. Aus diesen Mischun-

gen wurden Zugstäbe im Ofen gesintert (teilweise unter Vakuum) und die Materialkennwerte

ermittelt. Alternativ werden auf einer Plattenpresse Zugstabproben unter Druck hergestellt und

ebenfalls die Kennwerte ermittelt. Bei allen Verfahren ist es schwierig, fehlerfreie, der Norm ent-

sprechende Probekörper zu erhalten, da es zu Lufteinschlüssen kommt.

31 Scona TPEF 1112 PB und Fusabond N.M 0525D


Tabelle 6: Zusammenfassung der Analysen der Partikelform, Partikelgröße sowie der Viskosität und eine subjektive Bewertung nach

Schulnoten

Material Partikel-

form

Partikelgröße Viskosität

d(0,5)

(µm) Span Bewertung Pa ּ s Bewertung

Polyamid 12 Duraform 1 47 0,74 1 9492 4

Polyamid 12 Orgasol 1 46,6 4,02 1-2 10126 4

Vestosint 2157 1 55,3 0,77 1 1477 1

PEBAX ES Black 9002 4 69,1 1,54 2 1159 1

PEBAX 3533SP01 4 234,2 1,84 4 1253 1

PEBAX 4033SP01 5 153,6 1,99 4 2674 1-2

Vestamid E40S3 4 108,2 2,19 3 1749 1

Vestamid E55S3 4 98,1 1,45 2-3 3261 3

Vestamid E62S3 4 105,6 1,34 2 1817 1

Elastollan 1185A 6 318,4 1,52 5 2934 2

Bild 82: Vernetzungsreaktion endständiger Amingruppen mit

Maleinsäureanhydrid].

Bild 83: Zwei-Komponenten

Zugstäbe

Es konnten Materialkombinationen ermittelt werden, die eine sehr gute Mischbarkeit (PA12 +

Vestosint) oder eine gute Mischbarkeit (PA12+P40, PA12+V40, PA12+V55, PA12+V65) der Po-

lymere aufweisen.

Darüber hinaus wurden in der Ofenform Zugstäbe gesintert, die aus zwei unterschiedlichen Ma-

terialien und einer Grenzfläche bestehen, um die Haftung der beiden Komponenten miteinander

zu untersuchen (Bild 83). Tabelle 7 gibt die Ergebnisse der Kompatibilitätsversuche wieder. Von

den möglichen Materialkombinationen wurden einige für Versuche auf dem Lasersinterversuch-

stand ausgewählt. Da noch keine passende Dosiertechnik entwickelt ist, werden jeweils zwei

verschiedene Pulver nebeneinander in den Vorratsbehälter eingefüllt. Erstaunlicherweise mischen

sich die Pulver an der Grenzfläche beim Aufbringen der Pulver sehr wenig; weder auf dem Test-

stand noch auf der Sinterstation 2000 (Bild84). Hiermit können Proben, die aus zwei verschiede-

nen Materialien bestehen, gesintert werden. (Bild 85). Allerdings gelingt dies nur bis zur Höhe

einiger weniger Schichten. Dann beginnen sich die Teile zu verziehen und aufzuwölben (Curl),

da die Sinterfenster der beiden Materialien zu unterschiedlich sind.


Tabelle 7: Ergebnisse der Kompatibilitätsuntersuchungen

Bild 84: Auftragung verschiedener Pulver (Aufnahme aus dem

Teststand; das vordere Pulver ist zur besseren Erkennbarkeit mit

Eisenoxid eingefärbt)

Bild 85: 2-Komponentenbauteile aus D.PA12-D+V55 und V55

(oben) und D.PA12-D+V62 und V62 (unten).

Fazit

Es wurden elastomere Werkstoffe, die zu PA12 kompatibel sind und sich im Ofen miteinander

verbinden lassen, identifiziert. Beim Lasersinterprozess werden aber wesentlich strengere Anfor-

derungen an die Materialien gestellt, da nur ein enges Temperaturfenster je Material zur Verfü-

gung steht, sodass keine Bauteile mit PA12 als Hauptkomponente und einer weiteren Kompo-

nente erzeugt werden können.

1.5.2 Untersuchung von Polymer-Partikel-Systemen (AP 5.6 – AP 5.8)

Kunststoffe werden sehr selten als Reinstoffe verarbeitet, sondern ihre Eigenschaften werden

durch die Zugabe von Additiven eingestellt. Additive dienen u. a. als Gleitmittel, Stabilisatoren

(Licht, Wärme), Farbpigmente, Antistatika, Verstärker.


Tabelle 8: Eingehend untersuchte Additive (Matrixmaterial PA12 Duraform)

Additiv Anteil [Vol%] Herstellweise Anwendung

Fe3O4 0,4 drucklos, gepresst Farbgebung

TiO2 0,4 drucklos, gepresst Farbgebung

CaCO3 1 drucklos Füllstoff

SiC 1 drucklos Verstärkung

SiO2 1 drucklos Füllstoff

EPDM(grün) 30 drucklos Elastizität

EPDM(schwarz) 30 drucklos Elastizität

NR 30 drucklos Elastizität

NR-SBR 30 drucklos Elastizität

Aramidfasern 1,5 drucklos Verstärkung

Carbonfasern 1, 5, 10 drucklos, gepresst Verstärkung

Glasfasern 1, 5, 10 drucklos, gepresst Verstärkung

In einer Recherche werden typische Additive für Kunststoffe aus verschiedenen Gruppen ausge-

wählt:

Anorganische Verbindungen: Aluminiumhydroperoxid, Bariumsulfat, Calciumcarbonat,

Eisenoxid, Siliciumcarbid, Siliciumdioxid, Titandioxid, Zinkoxid

Elastomere Pulver: Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Naturkautschuk (NR), Na-

turkautschuk+ Styrol-butadien-Kautschuk (NR-SBR)

Kurzfasern: Aramid (700µm), Carbonfasern (150µm), Glasfasern (230), Polyacrylnitrilfa-

sern (500)

Als Matrixmaterial wird PA12 Lasersinterpulver (Duraform, Orgasol) ausgewählt. Durch aufwen-

dige Vorversuche wird die Additivauswahl weiter eingeschränkt. Tabelle 8 zeigt die schließlich

eingehender untersuchten Additive, ihren Volumenanteil, die Herstellweise und den Anwen-

dungsbereich.

Bild 86 zeigt die ermittelten Elastizitätsmoduln der drucklos, im Ofen gesinterten Proben: Die

Metalloxide haben (erwartungsgemäß) nur einen geringen Anteil auf den E-Modul. Aramidfa-

sern haben ebenfalls keinen Einfluss. Am deutlichsten steigern Carbonfasern den E-Modul, ge-

folgt von den Glasfasern. Bei allen drei Fasern bewirkt eine hohe Konzentration dagegen eine

Verringerung des E-Moduls. Die hohen Anteile an Elastomerpulver bewirken eine gewünschte,

deutliche Reduktion des E-Moduls.

Bild 87 zeigt die ermittelten Elastizitätsmoduln der gepressten und der gesintertern Zugstäbe.

Die gepressten Zugstäbe zeigen einen recht geringen E-Modul. Einzig die mit Carbonfasern ver-

sehenen Proben weisen dagegen eine deutliche Erhöhung auf. Die gesinterten Proben zeigen

einen sehr geringen E-Modul, der deutlich unter den erwarteten Werten liegt. Die Stäbe wurden

zu einem sehr frühen Zeitpunkt auf dem SLS-Versuchsstand gesintert, vermutlich waren die Sin-

terbedingungen noch nicht optimal eingestellt. (Laut Datenblatt sind Zugfestigkeiten um 1500

MPa erreichbar.)


Bild 86: E-Modul der drucklos hergestellten Zugstäbe (Matrixmaterial Duraform)

Bild 87: E-Modul der gepressten und auf der SLS Anlage hergestellten Zugstäbe

1.5.3 Aktivierbare Zusätze (AP 5.9 – AP 5.12)

Bei der Zugabe aktivierbarer Zusätze können zwei Vorgehensweisen unterschieden werden.

Entweder ist der Zusatz im gesamten Material gleichmäßig vorhanden, und die lokale Strukturie-

rung erfolgt durch eine lokale Aktivierung z. B. durch den Laserstrahl des SLS während des Bau-

prozesses. Dies bedeutet, dass ggf. große Teile der aktivierbaren Komponenten nicht gebraucht

werden und weiterhin im Bauteil verbleiben. Es ist im Einzelfall zu prüfen, ob das nicht aktivierte

Material im Bauteil verbleiben kann. Zudem ist fraglich, ob ein Verfahren, das große Mengen

des eingesetzten Materials nicht verwendet, wirtschaftlich ist. Im anderen Fall wird die aktivier-

bare Komponente selbst durch einen Dosiermechanismus selektiv, lokal im Bauteil platziert.

Wenn die Komponente pulverförmig vorliegt, oder einer Polymerkomponente beigegeben ist,

unterscheidet sich das Vorgehen nicht von der Zugabe anderer Komponenten und Matrixmate-

rialien.

Aus diesem Grund wurde dieses Arbeitspaket in der Projektlaufzeit nicht weiter verfolgt.

Eine Recherche ergab, dass Strahlvernetzen eine Möglichkeit darstellt, eine lokale Strukturierung

in Lasersinterbauteilen zu erzeugen. Beim Strahlvernetzen werden die mechanischen Eigenschaf-

ten von Thermoplasten nach der Formgebung deutlich verbessert:


Bild 88: TPU bei der Verarbeitung mit Rauchentwicklung Bild 89: Spannungs-Dehnungskurve TPU Desmosint

Thermoplaste bestehen aus langen Molekülketten. Die mechanische Verschlaufung dieser Ket-

ten trägt wesentlich zur Festigkeit der Materialien bei. Bei Erwärmung werden die Ketten be-

weglich und gleiten aneinander ab. Beim Strahlvernetzen werden die fertigen Bauteile mit ener-

giereicher Elektronen- oder Gammastrahlung bestrahlt. Hierdurch entstehen Radikale, die eine

chemische Vernetzung der Molekülketten miteinander bewirken. Zur Steigerung der Wirkung

müssen den Materialien zuvor bei der Verarbeitung Vernetzungsverstärker zugegeben werden.

Durch eine lokale Dosierung des Additivs stellt sich dann beim Vernetzungsschritt eine innere

Strukturierung des Bauteils ein.

Eingesetzt wird das Verfahren vor allem bei PE,PA, PVC, PBT. Auch das Strahlvernetzen von

PA12, dem bevorzugten Lasersintermaterial wurde bereits untersucht.32

1.5.4 Herstellung eines Polymers (AP 5.13, 5.14, 5.15)

Da kein mit PA12 kompatibles Polymer gefunden werden konnte, wurden andere Basispolymere

untersucht. Eine interessante, erfolgversprechende Werkstoffklasse sind die Thermoplastischen

Polyurethane (TPU). TPU ist eine Werkstoffgruppe, deren Eigenschaften in einem sehr weiten

Bereich von gummielastisch bis steif eingestellt werden können. Die einzelnen TPUs sollten im

Wesentlichen zueinander kompatibel sein. Ziel ist die Entwicklung einer möglichst den gesamten

Bereich umfassenden Reihe zueinander kompatibler Sinterwerkstoffe auf der Basis von TPU. TPU

bietet elastomere Werkstoffeigenschaften, die bisher im Sintern noch nicht verfügbar sind.

Es wurden mehrere TPU-Sorten in Vorversuchen in dem Versuchsstand auf ihre Sinterfähigkeit

untersucht und eine erfolgversprechende Type identifiziert. TPU setzt sich aus Hart- und Weich-

segmenten zusammen und zeigt keinen Schmelzepeak in der DSC, stattdessen erweicht das

Material kontinuierlich. Dies führt dazu, dass die maximale Bauraumtemperatur, bis zu der sich

das Pulver noch auftragen lässt, 80 °C beträgt; darüber hinaus wird das Pulver zu klebrig. Dies

bedeutet, dass der Großteil der Schmelzeenthalphie durch den Laser aufgebracht werden muss.

Dies erfordert einen sehr geringen Spurabstand und hohe Laserleistungen. Dies führt zu einer

lokal sehr hohen Leistungsdichte, diese wiederum zum teilweisen Verdampfen (Rauchen) des

Materials (Bild 88). Aus diesem Grunde wurde an der Sinterstation 2000 eine Absaugung nach-

gerüstet.

Das Material ist hervorragend für die Sintermask-Technologie geeignet, da die Leistungsdichten

durch die flächige Belichtung um drei Größenordnungen geringer sind. (siehe Kap. 1.6.2)

Das Material bietet elastomere Eigenschaften, die bisher beim Lasersintern unerreicht sind: Eine

Bruchdehnung von 400 % bei einer Zugfestigkeit von 30 MPa. (Bild 89) Von dem Material wur-

den etliche hundert kg hergestellt, konfektioniert und den Partnern rpm und Sintermask für

Testzwecke zur Verfügung gestellt.

32 D. Drummer, A. Seefried: Untersuchung der Thermoformbarkeit von elektronenstrahlvernetztem PA12,

Zeitschrift Kunststofftechnik 6 (2010)


Tabelle 9: Mechanische Eigenschaften von Lasergesintertem PA12 und Spritzgegossenem PA12, PE-HD und PP

Property

Injection moulded SLS

PA12 PP PE-HD PA 12

Ultimate Tensile Strength [MPa] 35 32 30 39

Young’s Modulus [MPa] 1600 1450 1000 1500

Elongtion at break [%] 7 70 12 12

Bild 90: Aus TPU gesinterte Schuhsohle

1.5.5 Prüfen des Nachhaltigkeitsaspekts (AP 5.16)

Generative Fertigungsverfahren haben das Potenzial, zu einer nachhaltigen Fertigung beizutra-

gen. Folgende Vorteile werden häufig genannt:

Keine Produktion auf Vorrat

Form- und werkzeugfreie Produktion

Kein Materialabfall (wie bei der Zerspanung)

Optimierte Strukturierung (Leichtbau)

Produktion „vor Ort“

Diese Aspekte dürfen jedoch nicht vorbehaltlos akzeptiert werden, sondern müssen im Detail

bewertet werden, um die Nachhaltigkeit generativer Verfahren beurteilen zu können. Im Projekt

wurde eine Bewertung des SLS im speziellen durchgeführt:

Das Standardbaumaterial beim SLS ist PA12. Die mechanischen Eigenschaften des PA12 liegen

im Bereich anderer, vergleichbarer, thermoplastischer, teilkristalliner Kunststoffe, die im Spritz-

guss verarbeitet werden (Tab. 9). Thermoplastische Kunststoffe erreichen aber bei weitem nicht

die spezifischen, d. h. gewichtsbezogenen Eigenschaften anderer Konstruktionsmaterialien und

es ist fraglich, ob durch eine Strukturierung diese Nachteile im reinen Leichtbau wettgemacht

werden können (Tab 10). Leichtbaupotenzial ergibt sich erst durch die Möglichkeit der hohen

Funktionsintegration auf engstem Raum. Fraunhofer IPA konstruiert beispielsweise Robotergrei-

fer, bei denen Druckluftantrieb, Mechanik und Greifergeometrie aus einem Bauteil bestehen,

wodurch Bauteile und Masse eingespart werden.

Dringend erforderlich ist die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserten Eigenschaften.


Tabelle 10: Mechanische Eigenschaften verschiedener Konstruktionsmaterialien

SLS manual

injection mould-

ed metal processing

PA12 CR-

PA12

CRP* PP

GF30

PA 12

GF50

Duralu-

minium

Steel high

perf.

steel

Density [g/cm3] 1 1.1 1.5 1.1 1.43 2.7 7.9 7.9

Young’s Modulus [N/mm2] 1500 8928 140000 7000 13000 70000 200000 200000

Strength [N/mm2] 43 84 1 500 100 167 400 500 1 800

Specif. Young’s Moduls

[Ncm3/mm2g]

1500 8138 93333 6250 9091 25900 25300 25300

Specif. Strength

[Ncm3/mm2g]

43 76 1333 89 116 148 63 228

Bild 91: Energieaufnahme der Sinterstation 2000 während eines Bauprozesses

Speziell das Lasersintern ist keine abfallfreie Methode: In einem typischen Bau-Job werden nur

ca. 5 % des eingesetzten Materials für das eigentliche Bauteil verwendet. Das überschüssige

Pulver kann wiederverwendet werden. Es muss hierzu allerdings mit 30 – 50 % Neupulver ver-

mischt werden, sodass man auf eine Materialeffizienz von nur 20 % kommt. (Andere generative

Verfahren mögen hier deutlich besser liegen!)

Bild 91 zeigt den Energieverbrauch einer Sinterstation2000 während eines Bauprozesses: Der

Energieverbrauch wird von der Heizleistung zur Temperierung des Bauraums dominiert.

Um die Nachhaltigkeit bewerten zu können, müssen alle Beiträge (Rohstoffe, Energie) auf eine

Messgröße abgebildet werden. Ein Konzept hierzu ist das Material Input per Serviceunit (MIPS),

das am Wuppertal-Institut entwickelt wurde. Tabelle11 vergleicht die MIPS Werte für den

Spritzguss mit dem Lasersinterprozess: Der Spritzguss ist um ein Vielfaches effizienter. Die Werte

für den SLS Prozess wurden an der sehr alten Sinterstation 2000 ermittelt. Auch wenn moderne

Maschinen um den Faktor 10 schneller sind, ist der Vorsprung des Spritzgusses in der Massen-

fertigung nicht einholbar.

Das Lasersintern kann seine Vorteile nur bei sorgfältiger Auswahl der Randbedingungen ausspie-

len: (Kleinserien, Spare Parts on Demand, etc.)


Tabelle 11: Vergleich der MIPS Werte für Spritzguss und SLS

Injection Moulding (PP) SLS (PA12)

Contribution Amount Abiotic Mat. Amount Abiotic factor Abiotic Mat.

Raw material 1 kg 2,09 1 kg (PA 6,6) 5,5 kg/kg 5,5

Loss material 5 kg 5,5 kg/kg 27,5

Grinding 800 kWh/ton 3,15 kg/kWh 15,1

Liq. Nitrogen 2 kg/kg 0,8kg/kg 9,6

Processing 60 kWh/ kg 3,15 kg/kWh 189,0

Inj. Moulding (overall) 1kg 2,15

Sum 4,09 246,7

1.6 AP 6 Verarbeitungstests und Werkstoffprüfung (UMSICHT)

1.6.1 Herstellung der Versuchsapparatur (AP 6.1, 6.2)

Die ursprünglichen Planungen sahen einen sehr einfachen, händisch zu bedienenden Versuch-

stand vor, bei dem die Schmelzenergie nicht durch Laser sondern durch alternative Belichtungs-

techniken (Blitzlampe, Infrarotstrahler (ähnlich dem Sintermask-Konzept) aufgebracht werden

sollte. Ziel war, durch einfache, schnelle Versuche die grundsätzliche Eignung neuer Pulver für

das Lasersintern feststellen zu können, denn kommerzielle Maschinen erfordern häufig große

Pulvermengen, um überhaupt mit ersten Versuchen starten zu können. (Beispielsweise benötigt

die Sinterstation 2000 am Institut mindestes 10 L Pulver). Zudem sind die großen Maschinen bei

Produktwechseln aufwendig zu reinigen.

Recherchen und eigene Versuche ergaben jedoch, dass zur Beurteilung des Sinterverhaltens

beim SLS unbedingt das Kurzzeitverhalten beim Aufschmelzen durch einen Laser berücksichtigt

werden muss. Sobald ein Laser der erforderlichen Leistungsklasse (30 W CO2, Laserklasse 4) in

der Anlage verbaut ist, steigen die Sicherheitsanforderungen sofort enorm an, sodass nur noch

ein vollautomatischer Betrieb einer solchen Apparatur in einem geschlossenen Gehäuse möglich

ist. Hierdurch ist der Versuchsstand zu einer Kleinausführung einer Sintermaschine mit allen we-

sentlichen Anlagenkomponenten geworden. Trotzdem hat sich die Maschine im Projekt außer-

ordentlich bewährt, da es mit ihr möglich ist, umfangreiche Versuche mit neuen Materialien

schnell und mit geringem Aufwand durchzuführen (AP 5).

Darüber hinaus dient die Maschine als Versuchsträger für den Einbau der in AP 7 entwickelten

Pulverauftragungstechnik, da durch die Offenheit des Konzepts und durch den Zugang zur

Steuerung Um- und Einbauten wesentlich schneller realisiert werden können als in einer kom-

merziellen Maschine.

Bild 92 zeigt die Gesamtansicht der Maschine. Sie besteht aus der eigentlichen Anlage und ei-

nem Bedienerpult in dem die gesamte Steuerung und Versorgung untergebracht ist. Bild 93

zeigt einen Blick in die Prozesskammer der Anlage; zu erkennen ist der Vorratsbehälter (rechts),

die Bauplattform (Durchmesser 120mm) und der Überlaufbehälter. Oben erkennt man die Heiz-

strahler, die getrennt für den Bauraum und den Vorrat gesteuert werden können.

Die Tabelle 12 gibt die wichtigsten technischen Daten der Versuchsanlage wieder. Das Anlagen-

konzept hat sich bei der Materialentwicklung außerordentlich bewährt.


Bild 92: Gesamtansicht des Versuchsstands

Bild 93: Blick in die Prozesskammer des Versuchsstands

Tabelle 12: Eigenschaften des Versuchsstands

Eigenschaft Wert

Laserleistung 30 W

Max. Bauteildurchmesser 110 mm

Max. Temperatur 200 °C

Heizleistung 1200 W

Scangeschwindigkeit 5 m/s

Temperaturmessung im Bauraum Pyrometer

Temperaturmessung im Vorrat Thermoelement


1 bis 10.000 Teile.

rapid product manufacturing GmbH

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rpm

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:2002)

rpm rapid product manufacturing GmbH

Übersicht Materialteststand Sintermask mit wesentlichen Funktionen

Der Hebel dient dazu, den Unterdruck aufzuheben. Achtung: Langsam öffnen, sonst staubt es in der Kammer.

Die Druckanzeige zeigt den Druck innerhalb des

Bauraumes an. Dieser sollte bei 5-8 mbar liegen.

Der Computer mit der Software,

die den Prüfstand steuert.

Die Vakuumpumpe

erzeugt ein Vakuum im Bauraum. Tür zur Pumpe offen lassen, um die Kühlung zu verbessern.

Vorratsbehälter mit Rührwerk. Hier lagert das

Pulver für den Bauprozess und wird bewegt, damit es nicht verklumpt.

Hier sind Netzteil sowie die Steuerung untergebracht.

In diesem Behälter ist der Bauraum untergebracht.

Der Not-Aus-Knopf stoppt den Prüfstand. Mit dem Schlüssel wird

zwischen manuellem Betrieb und automatischen Betrieb (Bauprozess) gewählt.

Die Belichtungseinheit kann nicht manuell angesteuert werden.Hier wird die Schablone eingelegt und der Fokus

definiert.

Das Shuttle. Es erwärmt das Pulver vor dem Bauprozess über Heizlamellen, die sich unter dem Pulver befinden.

Die Belichtungseinheit von unten

Das Shuttle (links) befindet sich in Ausgangsposition. Im Bauprozess bewegt sich dies nach rechts über den Bauraum.

Im Kupferrohr

befindet sich eine Schnecke, die das Pulver aus dem Vorratsbehälter in das Shuttle transportiert.

Das Shuttle befindet sich im Bauprozess und ist über dem Bauraum. Das Schwert ist nach links gefahren, damit das Pulver aus dem vorgeheizten Shuttle auf den Bauraum fallen kann. Anschließend fährt das Schwert wieder unter das Shuttle und nimmt das überflüssige Pulver wieder auf. Die

Lamellen dienen zur besseren Verteilung des Pulvers im Shuttle.

Der Bauraum ist mittig (quadratisch abgesetzt) zu sehen, der sich je nach eingestellter Schichtstärke nach jeder Schicht absenkt.

Bild 94: Funktionen Materialteststand

1.6.2 Sinterverhalten im Sintermask Teststand (AP 6.3)

Die Versuche sind zwischen rpm und Fraunhofer Umsicht aufgeteilt. Die Maschine wurde von

Sintermask zunächst an rpm geliefert und dort 6 Monate getestet. Danach wurde sie zu Umsicht

verbracht.

1.6.2.1 Versuche bei rpm

Das Maskensintern wird von rpm seit der Entwicklung einer ersten Anlage verfolgt. Ein Prototyp

einer solchen SMS-Anlage ist bei rpm installiert, dieser ist jedoch nur vom Technologieprinzip mit

dem im Rahmen dieses Vorhabens bereitgestellten Materialteststand vergleichbar, so dass eine

vollumfängliche Einarbeitung erfolgen musste. Vor Installation des SMS Prüfstandes bei rpm

erfolgte eine gemeinsame Begutachtung mit Fraunhofer Umsicht bei Sintermask. Hierbei wur-

den sowohl technische als auch sicherheitsrelevante Rahmenbedingungen diskutiert und Ände-

rungen vereinbart, die vor Anlieferung und Inbetriebnahme umgesetzt wurden.

Im Rahmen notwendiger Basistätigkeiten erfolgten die Erarbeitung einer Maschinenübersicht für

den Bediener (Bild 94), einer „Quick-Start-Anleitung“ sowie die Erstellung von Wartungshinwei-

sen und einer Übersicht von Fehlermeldungen.

Im Weiteren wurden Machbarkeitsuntersuchungen zur Erzielung eines reproduzierbaren

Schichtauftrags mit unterschiedlichen Pulvern durchgeführt, das Sintern stand bei diesen Unter-

suchungen nicht im Vordergrund. Für die Arbeiten wurden ein SLS-Standardpulver auf Basis

Polyamid 12, zwei thermoplastische Polyurethane (gemahlen) sowie ein gemahlenes Polypropy-

len ausgewählt. Die Werkstoffauswahl erfolgte vor dem Hintergrund, ein möglichst breites

Spektrum gut und weniger gut fließfähiger Pulver zu erfassen. Für die Parameterauswahl (Tem-

peraturen und Schichtstärken) wurden DSC- und Partikelanalysen herangezogen. Erste Untersu-

chungen konzentrierten sich auf die reproduzierbare Schichterstellung mittels eines bekannten

Substratwerkstoffes auf PA 12 Basis, der zur Absorptionserhöhung grau eingefärbt wurde.


Bild 95: SMS Muster aus Prüfstanduntersuchungen

Hierbei hat sich gezeigt, dass Erfahrungen im Umgang mit der Lasersintertechnik in Kombination

mit diesem Werkstoff ausgesprochen hilfreich waren. Bild 95 gibt die Bauraumoberfläche beim

SMS-Prozess wieder. Weiterhin ist die mitgelieferte Schablone (quadratischer Querschnitt) und

ein erstes massives SMS Muster erkennbar.

Im Wesentlichen kann festgestellt werden, dass die Powder Shuttle Technik geeignet ist, um

reproduzierbare Pulverschichten mit unterschiedlichen Werkstoffen aufzulegen. Bild 96 gibt ei-

nen zusammenfassenden Überblick der erzielten Ergebnisse zu den durchgeführten Untersu-

chungen.

Im Rahmen der Untersuchung war es u.a. möglich, ein gemahlenes Polypropylen, welches auf

einer Lasersinteranlage nicht fehlerfrei beschichtet werden kann, riefenfrei aufzutragen. Auch

konnte eine elastische TPU-Pulvertype (beigestellt von Fraunhofer Umsicht) reproduzierbar be-

schichtet werden. Diese Ergebnisse verdeutlichen das Potential der Powder Shuttle Technik in

Kombination mit dem Maskensintern hinsichtlich einer zukünftigen Verarbeitung kostengünstig

hergestellter Kunststoffpulver, die nicht speziell für das Lasersintern konfiguriert werden. Kritisch

beurteilt wurde seitens rpm die Pulverzuführtechnik und –verteilung im Shuttle. Hier kam es zu

Pulverstauungen, die einen reibungslosen Betrieb störten. Nach Abschluss der Arbeiten bei rpm

wurde Sintermask eine umfangreiche separate Gesamtdokumentation zur Verfügung gestellt.

Der Materialprüfstand ging nach 6 Monaten termingerecht mit dieser Dokumentation für wei-

terführende Untersuchungen an Fraunhofer Umsicht.


1 bis 10.000 Teile.


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6016

:2002)

Arbeiten Materialteststand Sintermask II


Ergebnisse

PA12 von Sintermask (Standardpulver SMS grau)- Auftragverhalten positiv, riefenfreie Schichten möglich- Sintern möglich, jedoch problematisch (Curl)

TPU DP 3790 AP gemahlen von FhU (weiß)- Auftragverhalten negativ, kein Auftrag möglich, Materialagglomeration

- kein Sintern möglich

PP compoundiert und gemahlen von rpm (weiß/grau)- Auftragverhalten positiv, riefenfreie Schichten möglich- gute Voraussetzungen für das Sintern (graue Einfärbung)

TPU gemahlen von FhU (schwarz)- Auftragverhalten positiv, riefenfreie Schichten möglich- gute Voraussetzungen für das Sintern

Bild 96: Ergebnisse Pulververarbeitung mit dem Materialteststand

Messwerte Stampfvolumeter

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

10 100 1000 10000 100000

Anzahl Hübe

Vo

lum

en

[m

l]

Vestamid E55S3TPUMehl Typ 40590403014U90557115UOrgasolSilibeadsDuraformPE Grün

150

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

10 100 1000 10000 100000

Anzahl Hübe

Vo

lum

en

[m

l]

Mehl

Mehl

Vestamid E55

Vestamid E55

PA7115U

PA7115U

Bild 97: Stampfvolumen der untersuchten Pulver Bild 98: Interpolation des Verlaufs des Stampfvolumens

1.6.2.2 Versuche bei Umsicht

Im Wesentlichen wurden drei Materialien eingehender auf ihre Eignung für das Maskensintern

hin untersucht

Vestamid E55S3 (Evonik Degussa)

Orgasol (PA12, Lasersinterpulver) (Arkema)

Thermoplastisches Urethan (TPU) Bayer

Die Pulver wurden zunächst hinsichtlich ihrer mechanischen und thermodynamischen Eigen-

schaften charakterisiert. Ein einfaches Mittel, die Fließfähigkeit von Pulvern zu beschreiben, ist

die Hausnerzahl, das Verhältnis von Stampfdichte zu Schüttdichte.

Sch

StH


Ideal fließfähige Pulver weisen eine Hausnerzahl von 1 auf; bei Hausnerzahlen > 1,4 ist die Fließ-

fähigkeit des Pulvers schlecht. Bild 97 zeigt den Verlauf der Stampfdichten der Materialien. Zum

Vergleich wurden noch sehr gut fließfähige Glaskugeln (Silibeads 40-70µm, H=1,02) und

schlecht fließfähiges Mehl mit aufgenommen (H= 1,51). Die Abbildung zeigt, dass sich die Pul-

ver nicht nur im erreichten Endwert sondern auch in der Geschwindigkeit deutlich unterschei-

den: Mehl erreicht den Endwert bereits nach ca. 200 Hüben, TPU dahingegen denselben Wert

erst nach ca. 10 000. Dies sollte mit in die Bewertung der Pulver eingeschlossen werden. Des-

halb wurde versucht, die Kurven durch Exponentialfunktionen anzunähern und Zeitkonstanten

zu bestimmen. Die Kurven ließen sich jedoch häufig nur mit zwei Geschwindigkeitskonstanten

),( 21 TT hinreichend genau beschreiben (Bild 98).

)/exp()/exp( 21 TtcTtba

Für die ausgesuchten Materialien wurden umfangreiche Parametervariationen durchgeführt.

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

70 90 110

Shuttletemperatur [°C]

Bel

ich

tun

gsz

eit

[s]

verwendete

Parameter

geeignet

größere

Flächegeeignet

kleinere

Fläche

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

70 90 110

Bauraumtemperatur [°C]

Beli

ch

tun

gszeit

[s]

verw endete

Parameter

geeignet größere

Fläche

geeignet kleinere

Fläche

Bild 99: Variationen der Maschinenparameter (Shuttletemperatur, Belichtungszeit, Bauraumtemperatur) für TPU

Bild 100: Schiefer Quader Bild 101: Bauteil mit unför-

miger Unterseite

Bild 102: „Kammerbildung“ im Bauteil

TPU

In Bild 99 sind die verwendeten Einstellungen für Shuttle-, Bauraumtemperatur, Belichtungszeit

und Schichtstärke dargestellt. Eine Änderung der Shuttlegeschwindigkeit hatte keine Auswir-

kungen auf die generierten Bauteile, daher sind sie nicht mit aufgeführt.

Von den SLS-Versuchen ist bekannt, dass TPU-Pulver ab ca. 100°C zu kleben beginnt, deshalb

wurde mit einer Vorheiztemperatur von 80°C begonnen. Bei niedrigen Temperaturen traten

häufig Schichtversetzungen auf (Bild 100). Bei zu kurzer Belichtungszeit verschmelzen die

Schichten nicht richtig miteinander und können teilweise einzeln abgelöst werden. Bei zu langer

Belichtung kam es zu unregelmäßigen Auswüchsen an der Unterseite des Bauteils (Bild. 101).


Die Unregelmäßigkeiten sprachen für eine zu hohe Energiezufuhr. Eine weitere Erhöhung der

Belichtungsdauer führte zu einer Lochbildung (Bild 102). Bild 103 zeigt einige gelungene Bautei-

le aus TPU.

Das Maskensinterverfahren ist sehr gut für das TPU-Material geeignet, da durch die flächige

Belichtung die Leistungsdichte wesentlich geringer ist und es somit nicht zur Rauchbildung beim

Sintern kommt.

Bild 103: Gelungene Bauteile aus TPU: Quader und 3 Zugstabrohlinge

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

80 100 120 140


Bel

ich

tun

gsz

eit

[s]

verwendete

Parameter

geeignet

große Fläche

geeignet

kleine Fläche

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

90 110 130


Bel

ich

tun

gsz

eit

[s]

verwendete

Parameter

geeignet

große Fläche

geeignet

kleine Fläche

Bild 104: Variationen der Maschinenparameter (Shuttletemperatur, Belichtungszeit, Bauraumtemperatur) für Vestamid

Vestamid

Das verwendete Vestamid E55S3 war mit einer Maschenweite von 125µm vorgesiebt, daher ist

eine Schichtstärke von 0,1mm gewählt worden. Die verwendeten Einstellungen sind in Bild 104

dargestellt. Die Bilder 105-107 zeigen einige Beispiele der Versuche. Bei zu großer Belichtungs-

dauer fließen die Konturen zusammen. Nach dem Sintern wird die Bauplattform wieder ange-

hoben. Hierbei fällt der Pulverkuchen nicht in sich zusammen. Dies zeigt die Verklebungsnei-

gung des Materials. Beim Sintern der Zugproben stellt sich heraus, dass die Versetzungen in den

Stäben immer reproduzierbar an denselben Stellen auftragen. Wobei die Ursache hierfür nicht

klar ist. Eventuell stoßen die Bauteile an der Behälterwand an, und können sich deshalb nicht

weiter bewegen.

Vestamid E55S3 ist aufgrund der auftretenden Schichtversetzungen nur sehr bedingt brauchbar

für das selektive Maskensintern. Die Pulverförderung und das Auftragen selbst funktionierten

sehr gut, jedoch kam es bei höheren Bauteilen immer zu Unregelmäßigkeiten der Konturen. Die

erzeugten Bauteile waren - bis auf wenige Poren - homogen durchgeschmolzen.


Bild 105: Drei verschmolzene Recht-

eckflächen, geringe Schichtverset-

zung

Bild 106: Umliegendes, komprimiertes

Material, das während des Bauprozes-

ses als Stütze dient

Bild 107: Reproduzierbarkeit der Versetzun-

gen

Um ein endgültiges Urteil über die Tauglichkeit von Vestamid E55S3 zu bilden, wären weitere

Untersuchungen notwendig.

Besonders zwei Punkte sind dabei anzuführen: Die Variation der Shuttlegeschwindigkeit fand in

einem doch relativ kleinen Bereich statt. Da nicht mal annähernd eine Verbesserung festgestellt

wurde, sind weitere Untersuchungen ausgeblieben. Im Nachhinein ist in Erfahrung gebracht

worden, dass mit Orgasol, ebenfalls ein gut fließendes Material (siehe Auswertung Hausnerzahl),

bei einer Shuttlegeschwindigkeit von 0,05m/s Bauteile ohne Versetzungen generiert werden

konnten. Daher macht es durchaus Sinn, in einem Versuch diese Geschwindigkeit zu testen. Eine

andere Idee ist, die Maske um 90° zu drehen, sodass die breitere Seite in Schwertrichtung liegt.

Das stützende Pulver auf der gegenüberliegenden Seite des Schwertes hätte damit eine viel grö-

ßere Stützfläche und das Kippen des Bauteils wäre deutlich erschwert. Die erzeugten

Prüfstabrohlinge sind größtenteils miteinander verschmolzen. Eine weitere Reduzierung der Be-

lichtungsdauer um ca. 0,5 s nach beispielsweise 30 Schichten könnte dem entgegenwirken.

Orgasol

Orgasol ist ein Lasersinterpulver auf der Basis von PA12. Es weist sehr kleine Partikel und eine

exzellente Fließfähigkeit auf. Die verwendeten Einstellungen sind in Bild 108 dargestellt.

Anfangs stellte sich der Randbereich der Schicht noch während der Belichtung auf (ab 6,0s)

(Abb. 109). Der Verzug an den Seitenflächen, ähnlich dem Curl-Effekt, ließ sich auf eine zu nied-

rige Vorheiztemperatur zurückführen. Daher ist in allen weiteren Versuchen das Shuttle vor Be-

ginn des Bauprozesses über den Bauraum abgesenkt worden.

Bei Belichtungszeiten unter 5,0 s wurde das Pulver nicht richtig aufgeschmolzen, bzw. die

Schichten miteinander verbunden. Eine Belichtungsdauer über 6,0 s führte nach kurzer Zeit zum

Verzug. Es traten bei allen Einstellungen Schichtversetzungen auf (Bild 110). Das Absenken der

Shuttlegeschwindigkeit vorwärts auf 0,05 m/s reduzierte dies etwas. Die verschobenen Schich-

ten verkeilten sich mehrmals zwischen Schwertklinge und Messingrahmen des Shuttles, was den

Bauprozess unterbrach (Bild 111). Zum Entfernen musste der Vorderteil des Messingrahmens

abgebaut und anschließend neu angebracht werden.


0

1

2

3

4

5

6

7

8

140 150 160 170


Beli

ch

tun

gszeit

[s]

verwendete

Parameter

bestgeeigneter

Parameter

0

1

2

3

4

5

6

7

8

140 150 160 170


Beli

ch

tun

gszeit

[s]

verwendete

Parameter

bestgeeigneter

Parameter

Bild 108: Variationen der Maschinenparameter (Shuttletemperatur, Belichtungszeit, Bauraumtemperatur) für Orgasol

Bild 109: geschmolzenes Orgasol von

Schwertoberseite (Mitte Glassplitter er-

kennbar)

Bild.110: Wellung und Schichtversetzung Bild. 111: geschmolzene Schicht verkeil-

te sich im Powder-Shuttle

Bild 112: Sichelförmiges, homogen

durchschmolzenes Bauteil

Bild 113: Lochbildung bei höherer Schicht-

anzahl

Bild 114: Abnahme des Querschnitts bei

geringer Reduktion der Belichtungszeit

Durch Verwendung einer größeren Belichtungsfläche zu Beginn des Bauprozesses gelang es,

vereinzelt Werkstücke zu generieren (Abb. 112). Bei höherer Schichtanzahl trat allerdings eine

Lochbildung auf (Abb. 113). Wird der Temperaturbereich, in dem man sich während des Bau-

prozesses bewegt, in der DSC Analyse betrachtet, fällt auf, dass die Bauteilgenerierung nahe der

einsetzenden Kristallisation stattfindet. Bei den früher erstarrenden Randbereichen kommt es zu

einer Dichteänderung, die eine Volumenabnahme nach sich zieht. Durch den beigemengten Ruß

können bereits erste Keime entstehen. Bei der Belichtung einer weiteren Schicht ist die Flächen-

mitte noch wärmer als am Rand, daher sind bisher kaum Kristalle entstanden.


Versuchsreihe Rußanteil/Belichtungszeit mit Vestamid E55S3

0

1

2

3

4

5

6

0,1 0,2 0,4 0,8

Rußanteil [%]

Beli

ch

tun

gszeit

[s]

homogen

durchgeschmolzener

Prüfkörperrohling

Bild 115: Untersuchung des Rußanteils

Durch die Lichteinwirkung wird dieser Zustand länger beibehalten. Kühlt diese sich anschließend

ab, trägt das Material zum Kristallwachstum in den Randbereichen bei und es entstehen in der

Mitte der Fläche Hohlräume. In weiteren Versuchen ist es selbst bei gleichen Einstellungsparame-

tern nicht gelungen, ein ähnliches Resultat zu erzielen. Es war daher nicht möglich, ein homo-

gen geschmolzenes Werkstück zur Herstellung von Zugstäben zu generieren.

Dies wäre durch eine Anpassung der Belichtungszeit im Verlauf des Bauprozesses ausgleichbar,

führt aber zu einer Änderung der geschmolzenen Querschnittsfläche (Abb. 114). Die Variation

um 0,25 s Belichtungsdauer ist dafür bereits ausreichend. Insgesamt konnte keine Einstellung

gefunden werden, die reproduzierbar das Problem der Schichtversetzung lösen konnte.

Optimaler Rußanteil

Aus energetischen Aspekten ist es vorteilhaft, das beste Mischungsverhältnis zu kennen, um die

Belichtungsdauer möglichst weit herabzusetzen. Zusätzlich kann so der Einfluss der Rußkompo-

nente auf die mechanischen Eigenschaften abgeschätzt werden. Dafür wurden Zugstabrohlinge

mit verschiedenen Rußanteilen generiert. Bild 115 kann der Rußanteil und die jeweils benötigte

Belichtungsdauer entnommen werden.

Temperaturverteilung

Die Temperaturverteilung in der Sintermaskmaschine wurde mit einer Wärmebildkamera unter-

sucht. Es zeigte sich, dass die Temperatur noch nicht homogen genug ist, um einen Schichtbau-

prozess durchzuführen (Bild 116). (In dem Versuchsstand ist dies durch die Beschränkung auf

eine 10 x 10 cm2 große Fläche noch nicht so gravierend.) Mittlerweile hat Sintermask die Tempe-

rierung des gesamten Standes überarbeitet.

Pulverfluss

Zu Beginn der Versuche kam es immer wieder zum Erliegen der Pulverförderung im Vorratsgefäß

und der Förderschnecke. Aus diesem Grunde wurden hier die Wände geglättet und das Rühr-

werk im Pulverbehälter modifiziert, sodass ein zuverlässiger Pulvertransport gewährleistet ist.

(Bild 117-119)


Glaskeramikplatte oben mit, unten ohne Sintermaterial Schwertunterseite, Bereich unter Lamellen deutlich wärmer

Wärmebild ohne abgesenktes Shuttle Wärmebild mit abgesenktem Shuttle

Bild 116: Temperaturverteilung im Bauraum des Sintermask-Versuchsstands

Bild 117: Pulverkuchen vor Modifizierung Bild 118: Drahtgestelle am Rührwerk Bild 119: Pulverkuchen nach Modifizie-

rung

Bei der Belichtung der Geometrien mit der Sintermask-Maschine zeigte sich eine nicht gute Ab-

bildegenauigkeit: Ecken sind abgerundet und Flächen neigen dazu, sich nach außen zu wölben.

Bei parallelen Bauteilen kam es zum Zuschmelzen von Zwischenräumen (Bild 105). Eine Ursache

ist der hohe Energieeintrag durch die schnelle Baugeschwindigkeit. Dies trifft insbesondere auf

den TPU-Werkstoff zu, da hier nicht so weit vorgeheizt werden kann und das Material zudem

amorph ist, sodass die Schmelzwärme sofort wieder freigesetzt wird, wohingegen, bei PA12 die

Kristallisation und somit die Energiefreisetzung verzögert erfolgt. Daher wurde mittels einer

FEM-Rechnung die Temperaturentwicklung im Pulverbett untersucht. Hierzu wurden typische

Werte für den Sintermask- und den SLS-Prozess simuliert. Bild 120 zeigt das FEM-

Berechnungsmodell und Bilder 121 und 122 zeigen Ergebnisse für den Maskensinterprozess und

den SLS-Prozess. Tatsächlich ist die Überhitzung des Pulverbetts mit fortschreitendem Baupro-

zess bei dem hohen Energieeintrag des Maskensinterns zu erkennen (vergl. Bild 105).


Bild 120: Berechnungsgitter (1/4 der

Geometrie für die Zugstabrohlinge

Bild 121: Temperaturverteilung beim

Maskensintern

Bild 122: Temperaturverteilung beim

Lasersintern (1 m/s Schreibgeschwindigkeit

des Lasers)

1.6.3 Versuche in der Sinterstation 2000 (AP6.4)

Die Sinterstation 2000 wurde vom Unterauftragnehmer LSS im Juli 2010 an Umsicht geliefert,

aufgebaut und in Betrieb genommen. Zunächst wurden reguläre Baujobs mit etablierten Laser-

sintermaterialien durchgeführt, um sich mit der Anlage vertraut zu machen. Danach wurde die

Anlage intensiv genutzt, um das Sinterverhalten von Materialien zu testen und um Probekörper

für die Werkstoffcharakterisierung zu erzeugen. Die Ergebnisse sind in AP 5 Materialentwick-

lung) dargestellt.

1.6.4 Werkstofftests (AP 6.5- 6.8)

Die Ergebnisse der Werkstofftests sind im AP5 Materialentwicklung wiedergegeben. Hier sind

exemplarisch einige typische Analysen zusammengestellt.

Mikrotom-Schnitte, Lichtmikroskopie

Um das »Gefüge« der Proben zu untersuchen, wurden Dünnschnitte mit einem Mikrotom ange-

fertigt und im Lichtmikroskop untersucht. (Bild 123). Bei richtig verarbeiteten Proben sind aller-

dings keine Grenzen mehr erkennbar, da - entgegen dem Verfahrensnamen »Sintern« - das

Material vollständig aufgeschmolzen wird.

REM-Aufnahmen

Bild 124 zeigt die REM-Aufnahme eines lasergesinterten Bauteils. Man erkennt, dass das Materi-

al in der Tiefe vollständig aufgeschmolzen ist, an der Oberfläche aber noch die typischen PA12-

Partikel zu erkennen sind, die nur angesintert sind. Diese Partikel ergeben die typische raue

Oberfläche von Sinterbauteilen.

Bild 125 zeigt die Bruchfläche eines Carbonfaserverstärkten Bauteils. Man erkennt die mangeln-

de Haftung der Fasern an der Matrix.

Viskosität

Beim Lasersintern muss das Polymer drucklos, nur durch Schwerkraft, zu einem glatten Schmel-

zefilm verlaufen. Hierfür wurde die Nullscherviskosität gemessen, d. h. die Viskosität bei ver-

schwindender Schergeschwindigkeit, die in der Regel wesentlich höher ist, als übliche gemesse-

ne Viskositäten. (Bild 126)


Bild 123: Lichtmikroskopaufnahme eines PE-Bauteils aus dem Sintermask-Versuchsstand. (Die Partikel sind an der Oberfläche gerußt,

und nicht vollständig durchgeschmolzen; die Korngrenzen sind klar erkennbar.

Bild 124: Das lasergesinterte PA12 Orgasol in der 500-fachen

Vergrößerung

Bild 125: Bruchfläche eines mit Carbonfasern versehenen PA12.

Es ist eine schlechte Anbindung der Fasern an die Matrix zu

erkennen.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006

Scherrate [1/s]

Vis

ko

sit

ät

[Pas]

Vestosint 2157 PA12 Duraform PA12 Orgasol

Bild 126: Messung der Nullscherviskosität

Zugversuche

Es werden Norm Prüfkörper gesintert und in einem quasistatischen Zugversuch getestet. Je Ma-

terialprobe müssen 5 Proben zur statistischen Absicherung untersucht werden. (Bild 127)


Bild 127: Spannungs-Dehnungsdiagramm von Vestamid V62 Zugproben. Je Probe sind 5 Versuche durchgeführt worden.

1.6.5 Dynamische Werkstoffprüfung (AP 6.9 Fraunhofer IWM)

Dynamische Werkstoffprüfungen wurden nicht durchgeführt. Stattdessen wurden die Klebever-

bindungen getestet, die durch den segmentweisen Aufbau des Stuhls notwendig geworden,

aber nicht im Antrag vorgesehen waren.

1.7 AP 7 Weiterentwicklung Maschinentechnik (Sintermask)

1.7.1 Fortschreibung des Pflichtenhefts (AP 7.1, Umsicht)

Es wurde fortwährend nach Möglichkeiten zur Feinstpulverdosierung recherchiert. Zum einen

gibt es klassische Fördermethoden aus der mechanischen Verfahrenstechnik, die sich aber alle

als zu grob und ungenau erwiesen.

Es zeigte sich, dass es bereits Versuche gibt, ein Mehrkomponenten-Lasersintern zu etablieren.

Die meisten Verfahren beziehen sich jedoch auf Metallpulver, und es ist kein Verfahren bekannt,

dass kommerziell verfügbar ist.,33,34,35,36,37,38,39

Die Recherche ergab, dies zunächst mit einem System aus Glaskapillaren zu versuchen, die durch

Piezoquarze angeregt werden. (siehe AP 7.2) Das erwies sich allerdings nach umfangreichen

Versuchen als nicht zielführend, da der Pulverfluss in den dünnen Kapillaren sehr schlecht repro-

duzierbar war. Hieraus wurde die Idee entwickelt, das Pulver durch Siebe hindurch zu dosieren.

33 Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R.: Short communication - Computer control of powder flow for solid

freeforming by acoustic modulation. In: Powder Technology 133 (2003), S. 251–254 34 Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R.: Acoustic control of powder dispensing in open tubes. In: Powder

Technology 139 (2004), S. 55–60 35 ] Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R.: Device for Preparing Combinatorial Libraries in Powder Metallurgy.

In: Journal of Combinatorial Chemistry 6 (2004), S. 549–555 36 Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R.: A multi-component powder dispensing system for three dimensional

functional gradients. In: Materials Science and Engineering A 379 (2004), S. 351–359 37 Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R.: Short communication - A dry powder jet printer for dispensing and

combinatorial research. In: Powder Technology 142 (2004), S. 219–222 38 Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R. G.: Acoustic initiationof powder flow in capillaries. In: Chemical Engi-

neering Science 60 (2005), S. 413–421 39 Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R.: Preparing 3D Functional Gradients for SLS. In: Materials Science Fo-

rum 492-493 (2005), S. 749–754


Tabelle 12: Verwendete Pulver für die Dosierung mit Pulverdüsen

Nr. Bezeichnung Bewertung

1 PA12 Duraform ++

2 Gebrauchtes PA 12 Duraform +

3 Orgasol +

4 PA12 Duraform + Vestamid E40S3 (50 Gew.-%) 0

5 PA12 Duraform + Vestamid E55S3 (50 Gew.-%) +

6 PA12 Duraform + Vestamid E62S3 (50 Gew.-%) ++

7 PA12 Duraform + Pebax 3533SP01 (50 Gew.-%) ++

8 PA12 Duraform + Pebax 3533SP01 (50 Gew.-%) -

9 PA12 Duraform + Calciumcarbonat (1 Vol.-%) ++

10 PA12 Duraform + Celpure (1 Vol.-%) -

11 PA12 Duraform + Eisenoxid (Fe3O4) 0,4 Vol.-% ++

12 PA12 Duraform + Siliciumcarbid (SiC) ( 1 Vol.-%) ++

13 PA12 Duraform + Titandioxid (TiO2) (0,4 Vol.-%) ++

14 PA12 Duraform + EPDM grün(30Vol.-%) --

15 PA12 Duraform + EPDM schwarz (30 Vol.-%) --

16 PA12 Duraform + NR-Ecor RNM (30 Vol.-%) 0

17 PA12 Duraform + NR-SBR (30 Vol.-%) -

Bild 128: Dosierung mittels Pipette Bild 129: Schaltvorgang eines Pipettendosierers

1.7.2 Mehrkomponenten-Dosierung mit Pulverdüsen (AP 7.2, 7.3, Umsicht)

In Anlehnung an die Arbeiten von Yang und Evans wurde ein Dosierer auf der Basis von Glaspi-

petten konstruiert.40 Die Pipetten haben einen Durchmesser von 1,2 mm, d.h. in Ruhe kann das

Pulver aufgrund zu großer Haftkräfte an der Wand nicht durch die Pipette fließen. Die Pipette ist

auf einem Piezoquarz gelagert und kann in Schwingungen versetzt werden. (Bild 128). Bei der

richtigen Auswahl von Frequenz und Amplitude, die durch Trial und Error ermittelt wurde, lassen

sich sehr exakte Schaltvorgänge durchführen (Bild 129). Bild 130 zeigt Dosierergebnisse für ver-

schiedene Materialien. Gut fließende Materialien lassen sich mit dem Dosierer sehr gut reprodu-

zierbar dosieren; schlecht fließende Materialien liefern unregelmäßige Pulvermengen. Hier müs-

sen ggf. auch andere Pipettengeometrien untersucht werden. Tabelle 12 gibt einen Überblick

über die Eignung der untersuchten Pulver.

40 Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R.: Review - Metering and dispensing of powder; the quest for new solid

freeforming techniques. In: Powder Technology 178 (2007), S. 56–72


Bild 130: Dosierergebnisse für verschiedene Materialien

Alle gezeigten Ergebnisse sind bei Raumtemperatur durchgeführt worden. Bei Erhöhung der

Umgebungstemperatur, wie sie für das SLS notwendig ist, zeigte sich sehr schnell, dass sich das

Fließverhalten der Pulver stark änderte, so dass eine gleichmäßige Dosierung nicht mehr möglich

ist. Deshalb wurde der Ansatz schließlich aufgegeben und keine Versuche im Versuchstand

durchgeführt.

Die in der Literatur gezeigten Ergebnisse sind ausschließlich für Metallpulver durchgeführt wor-

den. Dies in mehrerer Hinsicht einfacher als die Dosierung von Kunststoffpulvern: Die Dichte der

Metalle ist höher, somit ist die treibende Gewichtskraft höher, Metallpulver laden sich nicht

elektrostatisch auf und Metallsintern wird in der Regel bei niedrigen Temperaturen durchge-

führt.

Siebdosierer

Die Kapillaren reagieren sehr empfindlich auf die Änderung der Umgebungsbedingungen. Ein

wesentlicher Grund ist das sehr große Verhältnis von Kapillar-Oberfläche zu Pulvermasse. Als

Alternative werden Siebdosierer entwickelt: Das Pulver wird in kleinen, Vorratsbehältern mit

quadratischem Querschnitt gelagert. Die Vorratsbehälter sind auf der Unterseite mit einem Sieb

einer geeigneten Maschenweite verschlossen. Von der Seite kann durch eine Sintermetallwand

Stickstoff in das Pulver zum Auflockern eingeblasen werden. Das Pulver wird durch einen Schie-

ber, am Boden des Behälters durch das Sieb gepresst. (Bild 131) Der Antrieb der Schieber er-

folgt pneumatisch, da bei den Temperaturen im Bauraum (150-170°C) elektrische Antriebe

aufwändig gekühlt werden müssten (Bild 131).

Bei den Vorversuchen erwies sich Auflockerung durch Stickstoff als wirkungslos, deshalb wurde

bei dem realisierten Druckkopf darauf verzichtet. (Bild 132) Ansonsten hat sich das Verfahren

außerordentlich bewährt.


Bild 131: Erste Skizze des Siebdosierers

Bild 132: Siebdosierkopf: Rendering und Einbausituation in dem SLS Versuchsstand (die vordere Reihe Pulverbehälter ist entfernt)

Bild 133 zeigt im Bauraum abgelegtes Pulver: Der Druckkopf hat sich in dem Bild von rechts

nach links bewegt. Die Düsen sind zu Demonstrationszwecken abwechselnd mit schwarzem und

weißem Pulver gefüllt. In einer technischen Realisierung wären zwei separate Druckköpfe für

zwei Komponenten erforderlich. Bei dem Pulver handelt es sich um dasselbe Material; eine Hälf-

te ist zur Unterscheidung mit Ruß eingefärbt. Das Pulver ist sehr gleichmäßig über der Fläche

dosiert und es sind nur kleine Absätze an den Anschlussstellen erkennbar. Bild 134 zeigt gefer-

tigte Mehrkomponentenbauteile.

Bei den Sinterversuchen zeigte sich, dass das Bauteil Schicht für Schicht tiefer in das Pulverbett

einsinkt, da die gesinterten Schichten weniger Platz beanspruchen als das Pulver. In Bild 135

erkennt man die hohen Ränder an den Seiten des Zugstabes, da der Stab bereits deutlich tiefer

liegt als das umgebende Pulver. Deshalb muss an gesinterten Stellen mehr Pulver dosiert werden

als an ungesinterten Stellen. Hierzu wurde ein Rakel ähnlich dem Powder-Shuttle konstruiert,

der überschüssiges Pulver vom Pulverbett abhebt, ohne das Pulver auf dem Bett zu vermischen.

(Bild 136)


Bild 133: Im Bauraum abgelegtes Pulver Bild 134: Gesinterte 2K Bauteile

Bild 135: Gesinterter Stab mit seitlichen Kanten

Bild 136: Rakel zum Glätten des Pulverbetts (Aufsicht: vorher, während, nachher; Seitenansicht: vorher nachher)


Bild 137: Prinzip des Laserdruckens (Kumar) Bild 138: Gedrucktes Bauteil (Kumar)

1.7.3 Mehrkomponenten-Dosierung mit Drucktechnik (AP 7.4, 7.5)

Der Toner in handelsüblichen Laserdruckern oder Fotokopierern besteht aus feinsten Polymer-

partikeln. Das Laserdruckwerk trägt diese verschiedenen Pulver (Farben) lokal auf eine Fläche

auf. Aufgrund dieser Analogie gab es Bestrebungen, diese Technik auch auf den Pulverauftrag

im SLS anzuwenden41,42,43,44. (Bild 137, 138) Allerdings sind bisher keine kommerziellen Maschi-

nen bekannt, die dieses Verfahren anwenden. Wesentliche Unterschiede zum Laserdruck sind:

Die Schichtstärken beim Drucken sind wesentlich dünner (einige Mikrometer)

Das Pulver kann nicht auf festes Papier übertragen werden, sondern muss auf einem Pul-

verbett abgelegt werden

Im Laserdrucker wird das Papier aufgeladen, um die Partikel vor dem eigentlichen Fixie-

ren festzuhalten. Dies ist bei einem Pulverbett von einigen Zentimetern Dicke schwer

machbar.

Einige Vorversuche zum elektrostatischen Pulverablegen wurden durchgeführt. Es wird unter-

sucht, ob das Pulver ohne direkten Kontakt zum Pulverbett von der Trägerplatte gelöst und auf

einem Pulverbett abgelegt werden kann. Eine definierte Geometrie Pulver wird abgelegt (Bild

139a) und darüber eine geladene Platte gebracht, die das Pulver anzieht (Bild 139b). Darauf wird

die Platte über eine weitere leere Platte gefahren und nun die leere Platte aufgeladen. Das Pulver

geht über, allerdings wird bei beiden Übertragungen das Pulver stark gestreut und das Pulver

agglomeriert durch die Aufladung. (Bild 140)

Aufgrund der großen technischen, prinzipiellen Schwierigkeiten wird die elektrostatische Pulver-

ablage nicht weiter verfolgt.

41 Kumar, Ashok V. ; Zhang, Hongxin: Electrophotographic powder deposition for freeform fabrication. In:

Solid Freeform Fabrication Symposium Proceedings. Austin, Texas : The University of Texas at Austin,

1999, S. 647–653 42 Schutzrecht US Patent No.: 6066285 ( Mai 2000). Kumar, Ashok V. (Erfinder). Solid Freeform Fabrica-

tion Using Powder Deposition 43 Rock, Stephen J. ; Gilman, Charles R.: A New SFF Process for Functional Part Rapid Prototyping and

Manufacturing: Freeform Powder Molding. In: Solid Freeform Fabrication Symposium Proceedings. Austin,

Texas : The University of Texas at Austin, 1995, S. 80–87 44 Schutzrecht US Patent No.: 5555481 ( September 1996). Rock, Stephen J. ; Gilman, Charles R. (Erfin-

der). Method of Producing Solid Parts Using Two Distinct Classes of Materials


Bild 139: Versuchsaufbau elektrostatisches Beschichten.

Bild 140: Ergebnisse der elektrostatischen Pulverablage

Bild 141: Veränderung der Materialeigenschaften durch Variation der Laserleistung

1.7.4 Parameterbeeinflussung durch Variation der Laserleistung (AP 7.6)

Beim neu entwickelten Werkstoff TPU lassen sich die Materialeigenschaften durch die Variation

der Laserleistung sehr gut beeinflussen. Bei geringerer Leistung entsteht ein weniger dichtes

Material, das wesentlich weicher und nachgiebiger ist.

Hierbei schmelzen die Partikel nicht vollständig auf, sondern werden nur aneinander gesintert.

Langzeituntersuchungen müssen zeigen, ob dieses Material auch hohen Lastwechselzahlen

standhält, oder ob es in den Sinterhälsen, in denen sicherlich hohe Belastungen auftreten, zu

Ermüdungen und schleichendem Materialversagen kommt. (Bild 141)


Bild 142: Ausrichtung der Magnetit- Partikel innerhalb einer

Epoxid-Matrix

Bild 143: Ausrichtung und Desagglomeration von Partikeln

(CNT) im elektrischen Feld

1.7.5 Einsatz von Feldkräften zur Partikelbeeinflussung (AP 7.8 und 7.9)

Es wurden nur einige Vorversuche zur Ausrichtung von Partikeln mit Feldkräften durchgeführt.

Magnetit Fe2O3 im Magnetfeld

Carbon Nanotubes

Ruß (Carbon Black)

Als Maß für die Ausrichtung dient hier die Messung der Leitfähigkeit des Materials. Durch die

Partikelausrichtung kann die Leitfähigkeit in einem sehr weiten Bereich eingestellt werde, was

die Effektivität der Ausrichtung im elektrischen Feld unterstreicht. (Bild 142, 143)

1.7.6 Lieferung Materialprüfstand (AP 7.10)

Entsprechend Arbeitspunkt 7.10 "Erstellung Versuchsapparatur Sintermask" wurde ein Prüf-

stand erstellt. Dieser ist eine vereinfachte Maskensintermaschine mit vollständigem Beschich-

tungssystem und fester Maske. Alle Prozessparameter, die für die Beschichtung und Maskenbe-

strahlung unterschiedlicher Materialien relevant sind, können durch eine spezielle Software be-

liebig gewählt werden. Somit stehen alle für die Materialentwicklungen notwendigen Freiheits-

grade reproduzierbar zur Verfügung.

Der Prüfstand besteht aus den folgenden Einheiten:

Bauplattform mit Feldgröße von 300 mm x 210 mm, später auf 100 mm x 100 mm ver-

kleinert.

Baukammer mit fest eingebautem Baubehälter, Höhe 400 mm später auf 200 mm ver-

kleinert, vakuum- und schutzgastauglich

Powder-Shuttle mit beheiztem Schwert, Leistungsaufnahme 2 kW, Maximaltemperatur

200 °C

Pulverförderungsstation mit 4 l Kapazität, Förderung mit starrer Schnecke

Maskenbestrahlung mit fester Maske und IR-Strahler (1,2 kW, 61 % im IR-Bereich)

Modular aufgebautes Steuerungs- und I/O-System zur Integration weiterer Sensoren

Sicherheitsvorrichtungen

Der Teststand (Bild 144) wurde nach erfolgter Übergabe bei rpm in Betrieb genommen.


Tabelle 13: Vergleich der mechanischen Eigenschaften von mit SMS und mit SLS hergestellten Zugprobekörpern.

SMS SLS1 2 3 4 5 6

Max. Spannung / MPa 48,9 50,3 52,5 46 30,1 40,9

Bruchdehnung 25,20% 30,50% 21,80% 8,60% 1,90% 3,80%

E-Modul / MPa 1906 1936 2006 1952 1915 1958

Bild 144: An rpm gelieferter Materialprüfstand für das selektive Maskensintern

Bild 145: Strahlengang im optischen System nach Offner

Auf dem Prüfstand und einer SLS-Anlage wurden Zugprobekörper in gleicher Weise erstellt. Die

mit dem SMS-Verfahren erstellten Proben zeigen eine deutlich höhere Bruchdehnung, als die mit

SLS erstellten Proben. Die maximale erreichte Spannung ist ebenfalls für die SMS-Proben besser.

Die E-Moduli der verschiedenen Proben sind in etwa gleich (Tabelle 13). Anhand dieses Versu-

ches konnte gezeigt werden, dass das SMS-Verfahren dem SLS-Verfahren bezüglich erreichbarer

mechanischer Materialeigenschaften deutlich überlegen ist.

Konzeptprüfung Abbildungs- und Beleuchtungssystem

Der an rpm gelieferte Versuchsstand hat ein vereinfachtes Maskensystem mit starrer, transmittie-

render Maske. Um die Abbildegenauigkeit und insbesondere die Kantenschärfe und somit die

Oberflächenqualität der Bauteile zu erhöhen, wurde ein Konzept zur reflexiven Projektion der

Maske umgesetzt. Dazu wird die Maske mittels Xerographie auf einen Spiegel gedruckt. Mittels

eines IR-Strahlers wird die Maske beleuchtet und über ein optisches System des Offner-Typs 1:1,

aber gespiegelt auf das Pulverbett, abgebildet (Bild 145).


Bild 146: Testaufbau zur Überprüfung des optischen Übertragungskonzepts der Maske auf das Pulverbett. Links ist das abzubilden-

de, beleuchtete Muster gezeigt, rechts das abgebildete Muster. Dieses wird aufgrund der Strahlführung im Offner-System in dersel-

ben Größe, aber punktgespiegelt, wiedergegeben.

Ein separater Abbildungstestaufbau wurde konzipiert, konstruiert und gefertigt. Nachdem die

Justage der Optiken abgeschlossen war, wurde ein Testmuster auf eine reflektierende Platte

gedruckt. Dieses konnte mit dem Testaufbau scharf abgebildet werden (Bild 146).

1.7.7 Anpassung des Powder-Shuttle-Systems (AP 7.11)

Während des Projekts konnten wesentliche Fortschritte hinsichtlich des Arbeitspakets 7.11 »An-

passung der Powder-Shuttle-Technologie« erzielt werden, insbesondere in Bezug auf die vom

Partner Umsicht entwickelten Sinterpulver. Für die Weiterentwicklung wurden die vom Partner

rpm während der Testphase ermittelten Ergebnisse berücksichtigt. rpm berichtete bei schlecht

fließenden Pulvern von gelegentlicher Brückenbildung der Pulver im Vorratsbehälter, die verhin-

derte, dass das Pulver mit Hilfe der Förderschnecke in den Powder-Shuttle gefördert werden

konnte. Eine von Umsicht berichtete Schwierigkeit war, dass die damals eingesetzte lasergesin-

terte Schnecke sich gut eignete, um gut rieselfähige Pulver zu fördern, es jedoch bei schlecht

rieselfähigen Pulvern durch eine Verdichtung der Pulver in Toträumen bisweilen zum Bruch der

Schnecke kam.

Um die Brückenbildung - insbesondere bei schlecht fließenden Pulvern - zu vermeiden, wurde

von Sintermask ein Rührwerk entwickelt, welches im Vorratsbehälter optional angebracht wer-

den kann. Darüber hinaus wurde die Geometrie der Förderstrecke optimiert und die bemängel-

ten Toträume beseitigt. Durch diese Maßnahmen wird das Aufstauen, Verdichten und schließlich

die Blockade der Förderstrecke vermieden (Bild 147, links) und so die Reproduzierbarkeit der

geförderten Menge erhöht.

Um die Stabilität der Förderschnecke und ihre Abriebfestigkeit zu erhöhen, wurde auf eine al-

ternative Fertigungstechnologie, das Mehrkomponentenspritzgießen zurückgegriffen. Dabei

wird der Kern der Pulverförderschnecke aus Stahl gefertigt und mit einem Polymerwerkstoff

umspritzt. Der umspritzte Stahlkern der Förderschnecke sorgt für die notwendige Stabilität,

während der Polymerwerkstoff optimal an das Fördergut angepasst werden kann (Bild 147,

rechts). Diese Maßnahme sorgt für eine erhöhte Wartungsfreiheit und höhere Standzeit der Pul-

verförderung.


Bild 147: links, Vorratsbehälter mit Rührwerk, rechts, im Mehrkomponentenspritzgießen hergestellte Förderschnecke aus Kunststoff

mit Stahlkern

Bild 148 links, ursprüngliche Powder-Shuttle-Geometrie, rechts, neue, verbesserte Powder-Shuttle-Geometrie

Tabelle 14: Implikationen lokaler Dosierstrategien des SLS für das SMS

Mechanische Lösungen Pneumatische Lösungen

Allg. Vorteile Zwangsförderung Geringer Bauaufwand

Allg. Nachteile

Hoher mechanischer Aufwand im BauraumKompaktierung der PulverZu große Mengen

Weite Streuung des Pulvers durch das GasBeeinflussung des Pulverbetts durch das Gas

Implikationen für das Maskensinter-verfahren

Es muss sichergestellt werden, dass die mechanischen Lösungen im Vakuum funktionstüchtig sind

Der Vorteil der Vakuumbeschichtung würde verlorengehen

Bei der Beseitigung von weiteren Toträumen im Shuttle selbst, wurde nicht nur dessen Geomet-

rie (Bild 148), sondern auch das Gesamtkonzept der Powder-Shuttle Technologie hinsichtlich der

Reproduzierbarkeit des Schichtauftrages verbessert. Die Verbesserungen enthalten eine Abde-

ckung aus Polycarbonat, um Staubverwirbelungen in der Baukammer zu reduzieren, mehr und

flacher angeordnete Lamellen, um das Pulver gleichmäßig im Shuttle zu verteilen und so einen

besseren Pulverauftrag und ein gleichmäßiges Erwärmen des Pulvers zu gewährleisten. Außer-

dem werden nun der Abstecher und das Powder-Shuttle separat angetrieben. Bei der ursprüng-

lichen Geometrie wurde nur der Abstecher angetrieben und das Powder-Shuttle über eine mag-

netische Verriegelung mitbewegt. Bei der Konstruktion wurde darauf geachtet, dass das Pow-

der-Shuttle wartungsfrei ist und eine hohe Standzeit erreicht.

Lokale Dosier- und Belichtungsstrategien

In der Natur werden oft wenige Materialien genutzt, diese dafür strukturiert eingesetzt. Mithilfe

lokaler Pulverdosier- und Belichtungsstrategien können diese bionischen Konzepte nachempfun-

den werden. Innerhalb der Arbeitspunkte 7.2 - 7.5 wurden von Umsicht verschiedene lokale

Dosierstrategien eruiert. Die Implikationen dieser für das SLS-Verfahren gefundenen Lösungen

zeigt Tabelle 14.

Um die Auswirkungen einer lokalen thermischen Aktivierung bestimmter Komponenten des

Pulverbetts untersuchen zu können, wurde ein Laser-Scanner-System mit der Powder-Shuttle-

Technologie kombiniert. Um die Arbeitssicherheit zu gewährleisten, wurde ein Schutzschalter

eingebaut, der den Laserbetrieb beim Öffnen der Vakuumkammer unterbricht. Die Herausforde-

rung bestand bei der Integration in der curlfreien Laserbearbeitung einzelner Areale.


Bild 149: Versuchsstand im Sintermask-Technikum, Powder-Shuttle mit integriertem Laser-Scanner-System, Thermokamera und

Vorheizlampen

Bild 150: links, Temperaturverteilung des Baufeldes vor Verbesserungsmaßnahmen, rechts, Temperaturverteilung des Baufe ldes

nach erfolgter Optimierung.

Dazu wurde neben dem Laser-Scanner-System auch eine Vorrichtung zum homogenen Vorhei-

zen der aufgetragenen Pulverschichten integriert. Dafür wurden spezielle Lampensysteme einge-

setzt, die aufgrund ihrer Abstrahlcharakteristik für eine besonders homogene Temperaturvertei-

lung im Pulverbett sorgen (Bild 149).

Neben der mechanischen Integration der Komponenten Laser-Scanner-System und der Elemente

zum Vorheizen wurde auch das Steuerungs- und Softwarekonzept angepasst und zunächst ähn-

liche Bearbeitungsabläufe automatisiert wie in SLS-Anlagen.

Dieses System bedurfte noch einiger Optimierungsschritte. So wurden die zunächst für die An-

schlussflansche der Lampen verwendeten Gummifaltenbälge durch Metallfaltenbälge ersetzt.

Weiterhin wurden die vier Vorheizlampen so eingestellt, dass eine homogene Temperaturvertei-

lung auf der Pulverbettoberfläche erreicht werden konnte. Die Temperatur der einzelnen von

den Lampen beleuchteten Zonen werden mit Pyrometern gemessen und die Lampen so gere-

gelt. Die Angleichung der Temperatur aller vier Vorheizlampen und die sich ergebende Tempera-

turverteilung wurden mit der Thermokamera flächig gemessen. Durch die so mögliche Anpas-

sung der Temperaturen konnte der Temperaturunterschied von zunächst 20 K auf nur 5 K ge-

senkt werden (Bild 150). Mit einem so geringen Temperaturunterschied lassen sich nun auch

Materialien mit kleinem thermischem Prozessfenster, wie sie im Projekt entwickelt wurden, ver-

zugsfrei verarbeiten.


Bild 151: Demonstratorbauteile erstellt aus kommerziell verfügbarem, nicht für das SLS-Verfahren optimierten Pulver.

Bild 152: Abstellen des Verschubproblems durch Änderung des Klingenwinkels des Abstechers. Links, mit verschiedenen Klingen

erstellte Bauteile, rechts, Verschublänge und Verschubhöhe, bevor der Fehler abgestellt werden konnte.

Durch die Kombination der Maßnahmen zur Verbesserung des Powder-Shuttles und zur Anglei-

chung der Temperaturen auf dem Baufeld sowie der Integration des Laser-Scanner-Systems ist

es möglich, schlecht rieselfähige Werkstoffe zu komplexen Bauteilen zu verarbeiten. Dies wurde

an einer kommerziellen, nicht für das Lasersintern optimierten Polypropylentype demonstriert

(Bild 151).

Obwohl schlecht rieselfähige und auch sehr gut rieselfähige Pulver mit hoher Qualität aufgetra-

gen werden können, kam es insbesondere bei sehr gut rieselfähigen Pulvern dazu, dass die ers-

ten erstellten Schichten eines Bauteils durch die hohen Scherkräfte, die der Abstecher auf das

Pulverbett ausübt, verschoben wurden (Bild 152, links unten). Dieser Effekt wurde durch eine

Veränderung der Klingengeometrie hin zu einer Klinge mit flacherem Winkel abgestellt (Bild

152, links oben).

Bei allen veränderten Maschinenoptionen wurde eine Abwägung der Investitionskosten gegen-

über den Kriterien Reproduzierbarkeit, Wartungsfreiheit und Standzeit durchgeführt.

Prozessführung im Vakuum

Ein Vorteil des entwickelten Systems ist durch die Prozessführung im Vakuum gegeben. Hier

werden durch den Konsolidierungsprozess freiwerdende Gase bzw. Rauch automatisch abge-

saugt und können so aus dem Prozess entfernt werden.


Bild 153:Gemisch aus eisenhaltigem Metallpulver und Kunststoffpulver. a) Anlegen eines Magnetfeldes führt zu Bildung eines

Spans, der in Feldlinienrichtung ausgerichtet ist. b) - d) Eine Änderung der Feldlinien führt zu einer Änderung der Spanausrichtung

Dies dient zum einen der Arbeitssicherheit, zum anderen aber auch der Reproduzierbarkeit des

Prozesses, denn der entstehende Rauch kann die Intensität des Laserstrahls abschwächen und so

zu reduzierten Bauteileigenschaften führen. Weiterhin kommt es weniger zu einem Beschlagen

der optischen Elemente in der Vakuumkammer.

1.7.8 Partikelausrichtung im Pulverbett (AP 7.12)

Bei den Arbeiten zu Arbeitspunkt 7.12 "Konzepte zur Partikelausrichtung im Pulverbett" konnte

gezeigt werden, dass sich bei Verwendung eines Gemisches aus Edelstahlpulver und polymerem

Lasersinterpulver das Edelstahlpulver bei Anlegen eines Magnetfeldes in Richtung der Feldlinien

ausrichtet und dabei genug polymeres Pulver am Metallpulver haften bleibt, sodass stabile Struk-

turen erstellt werden könnten. Weiterhin ist es möglich, durch eine Änderung des Feldlinienver-

laufs die ausgerichteten Strukturen von horizontal nach vertikal zu verkippen. Eine Ausrichtung

mithilfe des Magnetfelds der Schwertheizung gelang aufgrund des großen Abstandes des Pul-

vers von der eigentlichen Leiterschleife nicht. (Bild 153)

Vergleichende Kostenrechnung PA12 und TPU-Sinterpulver In einem Vergleich der Kosten für die Bauteilerstellung anhand einer Probegeometrie wurde das

wirtschaftliche Potenzial des im Rahmen des Projekts entwickelten TPU-Werkstoffs bewertet.

Dieser ist mit einem Preis von 50 €/kg und einer Wiederverwendungsrate von 100 % deutlich

günstiger als das Standard-PA12-Material. Bezieht man jedoch die Prozesskosten mit ein, so

stellt man fest, dass 90 % der Kosten des TPU-Bauteils auf Maschinenkosten und nur 10 % auf

Materialkosten zurückzuführen sind, da das TPU eine lange Belichtung erfordert. Beim Standard-

PA12-Material ist diese Relation umgekehrt. Hier sind 86 % Materialkosten und nur 14 % Ma-

schinenkosten enthalten. Damit liegen die Bauteilkosten des neuen Materials etwa 6 % unter

denen des Standardmaterials. Dies zeigt, dass für eine wirtschaftliche Fertigung in größeren

Stückzahlen mit dem neuen Material vor allem die Maschinenkosten verringert werden müssen. Da bereits erste, erfolgversprechende Schritte in diese Richtung unternommen wurden, hat das

neue Material ein erhebliches Vermarktungspotenzial.

1.8 AP 8 Produktionstechnik bionischer Kunststoffprodukte mittels SLS (rpm)

1.8.1 Lastenheft aus Nutzersicht (AP 8.1)

Sowohl Authentics (AP 1.3) als auch Folkwang (AP 2.4) haben in Ihren Ausführungen umfassend

über die Muss-, Soll- und Kann-Kriterien berichtet. Aus rpm-Sicht erscheinen diese vollständig

und sollen daher hier nicht erneut aufgeführt, bzw. ergänzt werden. Anstelle dessen sollen hier

die Anforderungen an SLS-Werkstoffe aufgeführt werden, die im Rahmen des Vorhabens zu-

sammengestellt wurden. Eine umfassende Prozessbeschreibung diente als Basis für einen Work-

shop bei rpm mit Mitarbeitern von Fraunhofer Umsicht. Dieser diente zur Unterstützung der

Entwicklungstätigkeiten bei der Erarbeitung von SLS-Werkstoffen in diesem Vorhaben. Die zu

berücksichtigenden Werkstoffkennwerte gliedern sich in sinterprozesstechnische, bauteiltechni-

sche und wirtschaftliche Aspekte. Die Werkstoffrezeptur, die Compoundierung, die Zerkleine-


rung sowie die Verarbeitung innerhalb der Lasersintermaschine haben Einfluss auf diese Merk-

male und müssen daher gesamtheitlich betrachtet werden.

Sinterprozesstechnische Aspekte

o Beschichtungsfähigkeit (Walzenbeschichtung) Pulverkorngrößenverteilung mög-

lichst 10 bis 120 µm

o Temperaturverarbeitungsbereich/Sinterfenster (> 10 K)

o Schmelzviskosität (Zusammenfließen der Schmelze beim Sintern notwendig) MVR

≥ 20 g/10 min

o Vermeidung von Rissbildung innerhalb der Pulveroberfläche

o Vermeidung von Verformung (Curl) während des Bauprozesses

o Absorption von CO2-Laserstrahlung (Wellenlänge 10,6 µm, üblich in kommerziell

verfügbaren SLS-Maschinen)

Bauteiltechnische Aspekte

o Mechanisch-technologische Eigenschaften (Dichte, E-Modul, Zugfestigkeit,

Bruchdehnung, Schmelztemperatur usw.)

o Hitzestabilisierung (Wechselwirkung mit Luftsauerstoff minimieren (auch beim

Sintern))

o Detailgenauigkeit

o Farbe (heute ist Weiß der Standard der Lasersintertechnik)

o Oberflächenbeschaffenheit (Veredelbarkeit durch Schleifen, Polieren, Lackieren)

o Fügbarkeit (z.B. Kleben oder Schweißen)

Wirtschaftliche Aspekte

o Kosten

o Recyclefähigkeit (Gebraucht-/Bauraum- und Neupulver misch- und verarbeitbar)

o Energieeinsatz beim Lasersintern

o Prozesszeit beim Lasersintern

1.8.2 Herstellung von Prüfkörpern (AP 8.2)

Für die Untersuchungen zum Lasersintern stand das in Bild 154 dargestellte Equipment zur Ver-

fügung. Hierbei handelt es sich um eine Sinterstation 2500 der Fa. DTM, USA (heute 3D-

Systems). Dieses System (rpm Name Inge) wird für sämtliche Arbeiten im Bereich der Forschung

und Entwicklung bei rpm eingesetzt. Die Maschine arbeitet mit einer Beschichtungswalze zum

Auftragen der einzelnen Pulverschichten (siehe Prinzip, o.r.).


Bild 154: Verwendetes Equipment und Verfahrensprinzip

Bild 155: Ergebnisse zum SLS von Strukturen auf Basis beigestellter 3D-Daten

1.8.3 Herstellung von Elementarzellen (AP 8.3)

Der Aufbau einzelner Elementarzellen erfolgte nur zu einem geringen Teil, deutlich intensiver

wurde der Aufbau von Strukturen bestehend aus mehreren Elementarzellen verfolgt und Fraun-

hofer IWM für die Analyse (AP 3.7) zur Verfügung gestellt. Bei diesen Untersuchungen wurden

die Grundlagen hinsichtlich minimal möglicher Wandstärken, Werkstoffauswahl und Datenquali-

tät zwischen rpm und IWM gelegt. Anfänglich wurden von Fraunhofer IWM beigestellte 3D-

Daten (Datenbezeichnung Biegebalken und Würfel) in Originalgröße und in skalierter Größe (70

% und 30 %) hergestellt, um die Grenzen hinsichtlich minimaler Wandstärken zu erarbeiten.

Bild 155 stellt sowohl die Bauteilanordnung im Bauraum als auch die hergestellten Muster dar.


Bild 156: Bauteilseparation auf Grund fehlerhafter 3D-Daten

Weiterhin ist ein Blick auf die Bauraumoberfläche während des Lasersintervorganges erkennbar

(Muster o.l. dient der Parameter- und Schwindungsermittlung und ist rpm Standard und Teil der

Qualitätsprüfung bzw.- sicherung).

Hinsichtlich der zu untersuchenden Werkstoffe wurde neben dem kommerziell für das Lasersin-

tern verfügbaren DuraForm PA (3D-Systems) eine Werkstoffalternative auf PA 12 Basis (Arkema)

untersucht. Hintergrund waren deutlich günstigere Werkstoffkosten (Reduzierung ca. 40 %) im

Vergleich zu den für das SLS angebotenen Werkstoffen. Nach anfänglich vergleichbaren Resulta-

ten zeigten sich Probleme wie Rissbildung und Oxidation (Vergilbung), so dass dieser Werkstoff

aus dem weiteren Untersuchungsprogramm ausgeschlossen wurde.

Durch die Aneinanderlegung von Elementarzellen, ohne dass diese datenseitig miteinander ver-

schmolzen wurden, ergaben sich für die Software der SLS- Maschine eine Vielzahl einzelner Bau-

teile, die mit einem Abstand 0 aneinander lagen. Die Strahlkompensation während des Baupro-

zesses zog unversinterte Bereiche minimaler Ausdehnung zwischen den Elemetarzellen nach sich

(Bauteilseparation), die Folge waren Sollbruchstellen. Bild 156 gibt diesen Sachverhalt wieder.

Daher wurde die Bereitstellung von Volumendatensätzen (mit datenseitig verschmolzenen Ele-

mentarzellen) je Bauteil als unabdingbare Voraussetzung für mechanisch belastbare Makrostruk-

turen vereinbart.

1.8.4 Herstellung von Prüfkörpern aus Elementarzellen (AP 8.4)

Sämtliche Prüfkörper auf Basis beigestellter 3D-Daten vom IWM wurden aus DuraForm PA her-

gestellt. Hierbei wurde ausschließlich Neupulver eingesetzt, um möglichst vergleichbare Werk-

stoffeigenschaften zu erzielen. Der Aufbau der Prüfkörper erfolgte in unterschiedlichen Stück-

zahlen und Raumrichtungen entsprechend der Anforderungen seitens IWM, um einen möglichst

umfangreichen Analysebereich zu erfassen. Bild 157 gibt eine Übersicht über einen Teil der

Prüfbauteile für die Analyse bei IWM. Das Bauteil Zug_Würfel (Bild 157, unten Mitte) wurde mit

Einspannhilfen ausgestattet, um die Handhabung und die Reproduzierbarkeit der mechanischen

Prüfungen sicherzustellen.


Bild 157: Gesinterte Prüfkörper für die Bauteilprüfung bei IWM

1 bis 10.000 Teile.


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Erstellung Muster zur Untersuchung Biegefestigkeit

Bauteilanordnung im Bauraum

Gesinterte Muster

Bild 158: Bauanordnung und Muster (Biegebalken)

Weitere Prüfkörper waren Biegebalken unterschiedlicher Krümmungen (Bild 158). Der Aufbau

erfolgte stehend, damit wurden bei der anschließenden Prüfung Bauteilbereiche mit geringst

möglicher Festigkeit analysiert. Nach Abschluss der Fertigung und Qualitätsprüfung erfolgte die

Bereitstellung für den Vierpunktbiegeversuch am IWM (AP 4.2).

Auch die Daten für SLS-Prüfkörper zur Überprüfung von Klebefestigkeiten mittels Zugversuch

kamen vom IWM (Bild 159). Hintergrund war die Tatsache, dass eine einteilige Fertigung groß-

volumiger makrostrukturierter Bauteile nicht realisiert werden kann (Limit ist der verfügbare Bau-

raum in SLS-Maschinen).


1 bis 10.000 Teile.


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Erstellung Muster zur Untersuchung Klebefestigkeit

Bauteilanordnung im Bauraum

Gesinterte Muster

Bild 159: Bauanordnung und Muster (Zugprüfkörper)

Das Fügen von Bauteilen ist daher umumgänglich und musste hinsichtlich geeigneter Klebstoffe

und Fügezonengeometrien untersucht werden. Erkennbar ist, dass die Muster mit einer Ein-

spannhilfe versehen wurden, was ein reproduzierbares Einspannen in der Zugprüfmaschine er-

laubte. Die Proben wurden in unterschiedlichen Bauanordnungen (stehend und liegend) sowie

ein- und zweiteilig (zum Kleben) gefertigt. Dieses ermöglichte die Überprüfung baurichtungsab-

hängiger Eigenschaften mit und ohne Verklebung. Nach Verklebung im Stumpfstoß mit einem

ausgewählten Cyanacrylatkleber wurde zusätzlich ein Teil der Muster mit einem einkomponenti-

gen transparenten Tränklack infiltriert. Hierdurch sollte überprüft werden, ob dieser Schutzlack

(siehe auch Bild 164) einen festigkeitssteigernden Einfluss auf die Muster oder Klebeverbindun-

gen ausübt. Die Ergebnisse des IWM haben gezeigt, dass die gefügten Muster nahezu die Fes-

tigkeit der einteilig aufgebauten Muster aufweisen. Die Veredelung mit Tränklack führt zu ge-

ringfügig verbesserten mechanischen Eigenschaften im Zugversuch auf Grund reduzierter Kerb-

wirkung als Folge des Überzugs.

1.8.5 Herstellung makrostrukturierter Bauteile (AP 8.5)

Hinsichtlich der Herstellung makrostrukturierter Bauteile waren Schwerpunkte der Aufbau von

Sitzkissen (Bild 160, links), der halbseitige Aufbau eines Panton Chair (Bild 160, rechts) sowie die

Herstellung von Freischwingern (Demonstratordaten unterschiedlicher Revisionstände) in redu-

zierter Originalgröße aus DuraForm PA (Bild 161). Notwendige Voraussetzung für die Herstel-

lung der Panton Chair Hälfte war das Reverse Engineering eines Panton mit Hilfe eines optischen

Messsystems in der rpm Messtechnik (Erstellung Datensatz auf Basis eines beigestellten Serien-

pantons und Bereitstellung für Trabekelaufbau). Auf Grund der vorhandenen Bauraumgröße

erfolgte die Segmentierung des digitalisierten Panton-Datensatzes in Absprache mit den Projekt-

partnern im Rahmen der Arbeitsvorbereitung rpm. Die mittels Lasersintern aufgebaute Panton

Hälfte wurde anschließend gefügt und Folkwang zum finalen Aufbau zur Verfügung gestellt.

Bild 161 gibt die Rahmenbedingungen bei der Herstellung wieder. Sitzkissen und Panton Chair

wurden auf der EuroMold 2010 ausgestellt.


Bild 160: Sitzkissen und Panton Chair

Bild161: Rahmenbedingungen zur Erstellung Panton Chair

Beim ersten Versuch der Herstellung Sitzkissen blieb die erwartete Elastizität weit hinter den

Erwartungen (zu steif), daher wurde die Trabekelstruktur optimiert bis die Elastizität des Sitzkis-

sens den Erwartungen entsprach. Der Panton SLS hingegen war vergleichsweise instabil. Die

Erfahrungen bei der Umsetzung beider Bauteile hinsichtlich der erzielten Eigenschaften flossen

in die Entwicklung des Demonstrators ein. Bevor der Demonstrator jedoch in Originalgröße her-

gestellt wurde, erfolgte in Absprache mit den Projektpartnern der Aufbau von Freischwingern

für die Designüberprüfungen bei Folkwang und mechanische Tests beim IWM (AP 4.7). Es er-

folgte ein einteiliger liegender Aufbau von 2 Freischwingern (Bild 162, Skalierung 40% der Ori-

ginalgröße). Dieses entspricht der maximalen Objektgröße, die einteilig liegend auf den verfüg-

baren SLS-Anlagen bei rpm gebaut werden kann.


1 bis 10.000 Teile.


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Freischwinger aktuell in 40 % der Originalgröße

Bild 162: Freischwinger (40% Originalgröße) hergestellt durch Lasersintern

Bild 163: Messeexponat Sportschuh mit gesinterter Sohle aus TPU

1.8.6 Verarbeitungstests mit Kompositen (AP 8.6)

Arbeiten zur Entwicklung dieser Pulver wurden bei Fraunhofer Umsicht durchgeführt (siehe auch

Abschnitt 1.5.1). Eine Bereitstellung entsprechender Werkstoffe für Testzwecke bei rpm war

allerdings nicht möglich, da die Umsetzung dieser entsprechend der Anforderungen des Laser-

sinterns nicht realisiert werden konnte. Stattdessen erfolgte die Bereitstellung eines TPU-

Werkstoffes für Verarbeitungstests. Die Tests haben gezeigt, dass beim Sintern eine erhebliche

Rauchentwicklung zu verzeichnen ist. Diese führt nach kurzer Zeit zur Kondensatbildung auf

dem Schutzglas, welches die Scanneroptik schützt und reduziert die durchdringende Laserstrah-


lung durch Absorption. Dieses führt zu Instabilitäten beim Lasersintern (Beeinträchtigung des

Schmelzvorganges) mit einhergehender Beeinträchtigung der Werkstoffeigenschaften des Pro-

dukts. Eine bei rpm entwickelte gezielte Rauchabsaugung mit Umluftfilterung ermöglicht das

Sintern dieses Werkstoffes ohne Beeinträchtigungen. Mit diesem Maschinenupgrade wurde

nach erfolgreichen Vorversuchen eine Sportschuhsohle gesintert (Bild 163). Die Originalsohle

wurde vom Sportschuh entfernt und durch die gesinterte Sohle ersetzt. Anschließend wurden

Lauftests durchgeführt und das finale Produkt von Fraunhofer Umsicht auf der EuroMold 2011

präsentiert. Derzeit werden in zunehmendem Maße Kundenaufträge von rpm bearbeitet. In

Kürze wird ein TPU-Produktflyer erscheinen.

1.8.7 Verarbeitungstests mit aktivierbaren Pulvern (AP 8.7)

Die Arbeiten zur Entwicklung dieser Pulver wurden bei Fraunhofer Umsicht eingestellt (siehe

auch Abschnitt 1.5.3). Aus diesem Grund lagen keine Werkstoffe vor, weshalb die Durchfüh-

rung von Verarbeitungstests nicht erfolgen konnte.

1.8.8 Herstellung poröser Strukturen (AP 8.8)

Das Verfahrensprinzip Lasersintern mit pulverförmigen Ausgangswerkstoffen, lässt in Abhängig-

keit der verwendeten Prozessparameter die Herstellung poröser Strukturen zu. Dieses führt in

der Folge zu unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften. Für die Herstellung von Strukturen wur-

den in diesem Vorhaben immer Neupulver und möglichst identische Prozessparameter ange-

wendet, um nahezu identische Werkstoffeigenschaften zu erzielen und damit eine Korrelation

zu den Simulationsergebnissen des IWM zu ermöglichen. Restporositäten sind immer vorhan-

den, auch dann, wenn optimale Prozessparameter eingestellt werden. Daher wurde seitens rpm

die Infiltration von Strukturen im Wesentlichen mit den Zielen des Oberflächenschutzes der rau-

hen Sinteroberfläche und der Verminderung der äußeren Kerbwirkung (verursacht durch den

Schichtaufbau) untersucht.

Als Substratwerkstoff wurde DuraForm PA eingesetzt. Es kamen ein- und zweikomponentige

Harzsysteme (Polyesterbasis, Acrylatbasis, Polyurethanbasis sowie Epoxybasis und Cyanoacrylat-

basis) unterschiedlicher Viskositäten, die entweder bei erhöhten Temperaturen oder bei Raum-

temperatur aushärten, zur Anwendung. Es wurden vorrangig transparente bzw. farblose Syste-

me getestet, um den optischen Charakter der SLS-Strukturen zu belassen (Empfehlung Folk-

wang). Die Harzsysteme wurden durch Aufstreichen und Tauchen, teilweise mit Vakuumunter-

stützung aufgebracht.

Folgende Empfehlungen ergeben sich aus den durchgeführten Untersuchungen:

Verwendung Einkomponentenharz

Viskosität möglichst < 500 mPas

Nutzung Tauchverfahren

Farbe transparent

Aushärtung bei Raumtemperatur mit ausreichender Topfzeit

Kosten je kg € 10,- bis 13,-

Der Einsatz von einkomponentigen Harzen mit vergleichsweise geringen Viskositäten im Tauch-

verfahren sichert die vollständige Oberflächenbenetzung auch im Inneren bionischer Strukturen

(Trabekel). Weiterhin können Einkomponentensysteme mehrfach verwendet werden, was sich

positiv hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit darstellt. Transparente Systeme erhalten den ursprüng-

lichen Charakter gesinterter Strukturen. Die Aushärtung bei Raumtemperatur ist komfortabel

und erfordert kein zusätzliches Equipment für die Einbringung von Wärme zur Aushärtung.

Bild 164 gibt exemplarisch die erzielte Schutzwirkung als Ergebnis eines Tauchprozesses mit ei-

nem einkomponentigen Tränklack auf Acrylatbasis wieder.


Bild 164: Schutz durch Tauchen mit Tränklack

Wie bereits in Abschnitt 1.8.2.2 erläutert führt die Veredelung mit Tränklack nur zu geringfügig

verbesserten Festigkeitseigenschaften auf Grund reduzierter Kerbwirkung als Folge des Über-

zugs.

1.8.9 Herstellung Demonstrator

Für den Aufbau eines Demonstrators mit Funktionseigenschaften im Maßstab 1:1 war es not-

wendig, diesen aus mehreren Einzelteilen aufzubauen und zu fügen, da derzeit keine kommer-

ziell verfügbare Lasersinteranlage über einen Bauraum notwendiger Dimensionen verfügt. Das

Teilungskonzept musste den Aspekten mechanische Belastung, verfügbare Bauraumgröße, Fü-

gen, Optik und Einfärbung gerecht werden. Die Zerlegung des Freischwingers in funktionsge-

rechte Einzelteile wurde vom IWM umgesetzt und gestaltete sich anspruchsvoll, da die Teilung

vorzugsweise die Trabekel mittig schneiden sollte, was allerdings nicht durchgehend umsetzbar

war. Weiterhin wurde die Stuhlaußenhaut datenseitig verstärkt und im Bereich der Bodenkon-

taktbereiche Verstärkungen eingebracht, um Beschädigungen bei der Nutzung zu vermeiden.

Das verabschiedete Teilungskonzept resultierte in einer 13-teiligen Fertigung in 4 Bauprozessen.

Bild 165 gibt die resultierenden Bauräume und die jeweiligen Bauprozessmerkmale wieder. Die

im Bild erkennbare rot umrandete Box gibt den theoretisch nutzbaren Bauraum wieder (B=380

mm x L=330 mm x H=410 mm). Der in der Praxis nutzbare Bauraum muss in der Breite und

Länge um ca. 20 mm reduziert werden. Erkennbar ist, dass die maximal mögliche Bauraumhöhe

nicht genutzt wurde. Hier sind Optimierungspotentiale hinsichtlich der Teilung bei gleichzeitiger

Berücksichtigung der Bauraumdimensionen zukünftig denkbar.

Der Aufbau der Einzelteile erfolgte aus Neupulver DuraForm PA. Nach der Entnahme der Einzel-

teile aus dem Bauraum, Reingung und Passprobe erfolgte der manuelle Zusammenbau (Bild 166)

mittels Fügen. Hierbei kam ein Cyanacrylatkleber mit geeigneter Viskosität und Topfzeit zum

Einsatz. Bild 167 gibt den finalen Demonstrator mit wesentlichen Kenndaten wieder.

Der Demonstrator/Freischwinger wurde nach Fertigstellung und Begutachtung durch Folkwang

auf der Hannover Messe Industrie 2012 präsentiert. Die Kenndaten für die Herstellung des De-

monstrators wurden Authentics für exemplarische Kalkulationszwecke zur Verfügung gestellt

(siehe auch AP 1.4).


Bild 165: Bauraumanordnung und Bauprozessmerkmale

Bild 166: Freischwingereinzelteile und manueller Fügeprozess


Bild167: Demonstrator und Kenndaten

1.8.10 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung (AP 8.9)

Anhand der in Bild 14 aufgeführten Kenndaten lassen sich Aussagen zur Wirtschaftlichkeit und

Potentiale ableiten. Aus rpm-Sicht als Dienstleister mit dem Fertigungsverfahren Lasersintern

richtet sich der Fokus hierbei auf die Bauzeit sowie den Material- und Personaleinsatz. Diese

Aspekte sollen im Folgenden näher betrachtet werden.

Die Gesamtbauzeit für die 13 Einzelteile betrug 200 h, was bezogen auf 4 Bauprozesse einem

mittleren Baufortschritt von 7,2 mm/h entspricht. Die dafür veranschlagten Kosten von € 6.250,-

sind aus rpm-Erfahrung marktüblich. Die für den Bau des Demonstrators eingesetzte Maschine

kann allerdings nicht als Maßstab für realisierbare Baufortschritte mit Lasersintermaschinen neu-

ester Technologie angesehen werden. Eine Reduzierung der Bauzeit um mehr als 50 % ist realis-

tisch, wobei sich die Benennung der dafür anzusetzenden Kosten problematisch gestaltet. Die

von den Herstellern für Kalkulationszwecke bereitgestellten Maschinenstundensätze sind oftmals

Theorie und am Markt nicht erzielbar, da die Preise für Lasersinterteile starken Schwankungen

als Folge von Angebot und Nachfrage unterworfen sind. Jeder Dienstleister hat über Zeit eigene

Kalkulationsansätze entwickelt. Häufig sind dieses Mischkalkulationen, da das Verfahren Laser-

sintern es ermöglicht, mehrere Bauteile verschiedener Kunden in einem Bauraum zu platzieren.

Optimierungspotential bei der mehrteiligen Fertigung ist in der Feinabstimmung der Teilung mit

Bezug auf die Bauprozessplatzierung zu erkennen. Ziel sollte aus wirtschaftlicher Sicht die Erhö-

hung der Platzierungsdichte und optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Bauraumhöhe

sein, um eine möglichst geringe Anzahl von Bauprozessen bei der Herstellung zu benötigen.

Begrenzt werden die Möglichkeiten der optimalen Teilung allerdings durch die gleichzeitige Be-

rücksichtigung der mechanischen Eigenschaften (Teilungen in Bereichen mit Belastungsspitzen

müssen vermieden werden). Eine weitere Alternative ist die Nutzung von marktverfügbaren Ma-

schinen mit großvolumigen Bauräumen, welche eine Fertigung von Freischwingern in kürzerer

Zeit und mit einer reduzierten Anzahl von Einzelteilen ermöglichen.

Das Lasersintern ist durch die notwendige Beheizung der Werkstoffe bis nahe an die Schmelz-

temperatur im Baubereich ein vergleichsweise energieintensives Verfahren. Einsparpotentiale

hinsichtlich des Energieverbrauches können sich sowohl durch eine geringere Anzahl von Bau-

prozessen als auch durch Prozessverkürzungen als Folge steigender Baufortschritte ergeben.

Interessant ist jedoch auch die exemplarische Betrachtung der Stromverbräuche beim Lasersin-


tern unterschiedlicher Werkstoffe. Messungen bei rpm (Maschine Abschnitt 1.8.2) haben erge-

ben, dass im stationären Baubetrieb das Sintern eines PP Compounds (Werkstoff siehe Abschnitt

1.6.2.1, Bild 3) mit geringeren Bautemperaturen um 150°C, 12 % weniger Energie benötigt als

das Sintern von PA 12 mit Bautemperaturen um 175°C (PP 3,38 KW/h im Vergleich zu PA 12

3,84 KW/h). Interessant könnte zukünftig der Einsatz von Maschinen mit Maskensintertechnolo-

gie sein, da im Vergleich zum Lasersintern erhebliche Verkürzungen bei der Belichtung je Schicht

zu erwarten sind. Erfahrungen im Umgang mit einer bei rpm verfügbaren Maskensinteranlage

und die im Rahmen dieses Projektes durchgeführten Untersuchungen mit dem Teststand von

Sintermask bestätigen dieses.

Eindeutiger lassen sich die Werkstoffkosten definieren. Für den Bau des Demonstrators wurde

ausschließlich Neupulver verwendet, um nahezu identische Werkstoffeigenschaften wie in den

Voruntersuchungen IWM zu erzielen. Hierbei kamen 160 kg DuraForm PA zu marktüblichen

Gesamtkosten von € 10.075,- zum Einsatz. Für eine wirtschaftliche Fertigung muss eine Mehr-

fachnutzung des Werkstoffes umgesetzt werden, wie diese heute im Bereich der Prototypenfer-

tigung mittels Lasersintern üblich ist. Für den Produktionsprozess Lasersintern von PA 12-

Werkstoffen existiert bei rpm eine Qualitätsroutine, welche die Schmelzviskosität als Basis für die

Festlegung der Neupulverfrischrate nutzt. Diese ermöglicht es im stationären Betrieb bis zu 80 %

des eingesetzten Werkstoffes wieder zu verwenden. Hierbei sind jedoch Qualitätseinbußen hin-

sichtlich der mechanischen Eigenschaften zu verzeichnen. Es ist anzunehmen, dass im Rahmen

der Fertigung individueller Produkte, wie beispielsweise Freischwinger mit entsprechenden An-

forderungen an die Mechanik, mit einer durchschnittlichen Wiederverwendungsrate von 40 bis

50 % kalkuliert werden kann. Sollten kostengünstigere alternative Werkstoffe für das Lasersin-

tern auf den Markt drängen, werden sich die Kosten für solche Produkte entsprechend reduzie-

ren. Interessant ist auch hier der zukünftige Einsatz der Maskensintertechnologie in Kombination

mit einem Pulvershuttle, welches auch solche Werkstoffe schichtweise auftragen kann, die nicht

für das Lasersintern konfektioniert sind. Favorisiert sind hier Mahlpulver, da das Mahlen von

Granulaten als kostengünstige Alternative zur Herstellung von Pulvern angesehen werden kann.

Der aufgeführte Personaleinsatz bei der Herstellung des Demonstrators beinhaltet die Maschi-

nenvorbereitung, die Einzelteilentnahme aus den jeweiligen Bauprozessen, die Reinigung der

Einzelteile sowie die Fügezonenvorbereitung, das Fügen und die abschließende Endkontrolle.

Einsparungen ergeben sich, wenn die Anzahl der Bauprozesse reduziert und/oder die Anzahl der

Fügeoperationen reduziert werden, beispielsweise durch die Nutzung von Maschinen mit groß-

volumigeren Bauräumen. Eine einteilige Fertigung des Demonstrators ist derzeit mit kommerziell

verfügbaren Sinteranlagen nicht möglich.

Vor diesem Hintergrund wurden kommerziell verfügbare Schichtaufbauverfahren recherchiert

und entsprechende Angebote eingeholt. Bild 168 gibt einen Überblick über die Alternativverfah-

ren Fused Deposition Modeling (FDM), Selective Laser Sintering mit großvolumigen Bauräumen

(SLS) und die Stereolithographie (SL). Neben den verfügbaren Bauraumdimensionen sind Werk-

stoffinformationen, Kosten und Hinweise zur Möglichkeit einer einteiligen Fertigung des De-

monstrators aufgeführt.

Eine einteilige Fertigung mittels FDM kann mit Einschränkungen der mechanischen Eigenschaf-

ten geneigt erfolgen (allerdings ergeben sich richtungsabhängige Eigenschaften durch Schicht-

aufbau). Kostenvorteile sind zu erwarten, die Werkstoffvielfalt, insbesondere die Nutzung farbi-

ger Werkstoffe auf ABS-Basis erscheint interessant. Mittels SLS ist auch mit großvolumigen Bau-

räumen keine einteilige Fertigung möglich, hier kann jedoch eine Fertigung mit deutlich redu-

zierter Einzelteilanzahl Vorteile, insbesondere hinsichtlich der veranschlagten Kosten, bringen.

Die Stereolithographie scheidet auf Grund unzureichender Funktionseigenschaften und der feh-

lenden Möglichkeit den Bausupport im Inneren zu entfernen aus.


Bild 168:: Alternative Fertigungsverfahren und Kosten

1.8.11 Qualität und Stabilitätsbetrachtung (AP 8.10)

Aussagen zur Qualität und Stabilität ergeben sich im Wesentlichen aus den Erfahrungen beim

Aufbau der skalierten Freischwinger und der Herstellung des Demonstrators im Maßstab 1:1 in

Kombination mit den geführten Diskussionen im Rahmen der Projekttreffen mit den beteiligten

Partnern. Nachstehend sollen folgende Aspekte aufgegriffen werden:

Optik

Festigkeit

Oberflächenbeschaffenheit und Farbe

Die Optik des Demonstrators ergibt sich aus dem seitens Folkwang erarbeiteten Design und den

Simulationsergebnissen IWM, die in die finale Geometrie eingeflossen sind. Eine Umsetzung als

einteiliges Bauteil ist optisch und aus Festigkeitsgesichtspunkten heraus von Vorteil, da keine

Fügezonen vorhanden sind. Dieses wurde bei der Überprüfung eines skalierten Freischwingers

bestätigt, dessen Aufbau liegend (in der Bauebene -X/Y-Orientierung-) in 40% der Originalgröße

erfolgte (Abschnitt 1.8.2.3, Bild 162). Bei den Projektreffen kam jedoch auch der Reiz der Seg-

mentierung als gezielte optische Designelemente ins Gespräch. Da mittels Lasersintern heute

eine einteilige Fertigung auch mit großvolumigen Sinteranlagen nicht möglich ist und die Ver-

fügbarkeit von Sinteranlagen mit geringeren Bauvolumen bei rpm gegeben war, erfolgte die

Segmentierung in 13 Einzelteile unter Berücksichtigung der Festigkeitseigenschaften und vorge-

gebener Bauraumvolumen. Hierbei mussten auch die richtungsabhängigen Festigkeitseigen-

schaften beim Lasersintern (homogene Eigenschaften auf hohem Niveau in der Bauebene -X/Y-

Orientierung-, geringere Festigkeitseigenschaften durch den schichtweisen Aufbau in Z-

Orientierung) in Betracht gezogen werden. Somit hat die Segmentierung sowohl Einfluss auf die

Optik als auch auf die Stabilität (Festigkeit) des Freischwingers. Im Rahmen der Voruntersuchun-

gen am IWM hat sich gezeigt, dass die Fügezonen nahezu die mechanischen Eigenschaften des

gesinterten PA 12-Werkstoffes, zumindest in Z-Orientierung, erzielen. Der Auslegung der Füge-

zonen muss allerdings besondere Bedeutung zukommen. Vorzugweise sollten die Fügezonen als

Treppenstufen ausgeführt werden, da diese gegenüber dem Stumpfstoß hinsichtlich der Positio-

nierung beim Fügen und der nutzbaren Fügefläche Vorteile besitzen.


Bild169: Demonstrator finale Version

Eine Auslegung der Fügezonen als Nut-/Feder-Konstruktion ist zu vermeiden, obwohl diese ver-

besserte Festigkeitseigenschaften aufweist. Der Nachteil der Nut-/Feder-Auslegung begründet

sich in der Handhabbarkeit des Klebstoffauftrags und der Positionierung beim Fügen.

Neben der bereits aufgeführten Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften, ist

auch eine Abhängigkeit der Schwindung von der Orientierung beim Sintern zu verzeichnen.

Diese muss bei der Platzierung der Segmente im Bauraum, mit Bezug auf die Passgenauigkeit,

Berücksichtigung finden. Sollte dieses nicht präzise umgesetzt werden, sind Spalte innerhalb der

Fügebereiche die Folge, die sich sowohl auf die Optik als auch auf die Festigkeit nachteilig aus-

wirken.

Auch die Oberflächenbeschaffenheit weist eine Abhängigkeit von der Bauraumplatzierung auf,

da der schichtweise Aufbau erkennbar ist. Beim segmentierten Aufbau muss die Orientierung

der Segmente im Bauraum dem entsprechend aufeinander abgestimmt sein.

DuraForm PA ist im Neupulverzustand weiß, in Abhängigkeit der Alterung setzt eine Farbverän-

derung (Vergilbung) und Änderung der erzielbaren mechanischen Eigenschaften ein. In welchem

Verhältnis Neu- und Kreislaufpulver unter Kostengesichtspunkten, bei gleichzeitiger Umsetzung

geforderter Mindestanforderungen an Farbe und mechanische Eigenschaften, zukünftig einge-

setzt werden können, muss weiteren Untersuchungen vorbehalten bleiben. Hier sind die Erfah-

rungen von Dienstleistern und Kunden gefragt. Vorschläge für die nachträgliche Farbgebung

werden in AP 2.8.2 diskutiert. Zumindest sollte immer ein farbloser Schutzauftrag durch Lackie-

ren oder Tauchen erfolgen, um das Objekt vor Verschmutzungen und UV-Strahlung zu schützen

(AP 1.8.8). Der Schutz vor UV-Strahlung ist notwendig, da die kommerziell verfügbaren Sinter-

werkstoffen nicht entsprechend ausgerüstet sind.

Beim Aufbau des Demonstrators wurden die o.a. Kriterien in weiten Teilen berücksichtigt (Bild

169). Daher weist der Freischwinger eine einheitliche Optik auf, die nur durch die notwendigen

Fügezonen beeinträchtigt wird. Der Freischwinger ist vollumfänglich belastbar, die Schwingfunk-

tion aber nicht ausreichend erfüllt. Dieses liegt vermutlich an der konstruktiven Auslegung im

Außenhautbereich. Dieser wurde verstärkt, um eine Schutzfunktion gegenüber Oberflächenbe-

schädigungen zu erfüllen. Bei zukünftigen Ausführungen sollte dieses modifiziert werden, auch

die Verringerung des Gesamtgewichtes (derzeit > 10 kg) wäre wünschenswert. Die Oberflä-

chenbeschaffenheit ist homogen als Folge der darauf abgestimmten Bauprozessplatzierung, die

makroskopisch „eckige“ Detailstruktur muss im Zuge der Weiterentwicklung datenseitig geglät-


tet werden. Als Resultat des Neupulvereinsatzes ist der Demonstrator einheitlich weiß, lediglich

das Fügen erfolgte mit einem transparenten Klebstoff. In Abstimmung mit den Projektpartnern

wurde auf eine nachträgliche Farbgebung verzichtet, auch ein UV-Schutz wurde nicht appliziert.

Die ungeschützte empfindliche Oberfläche weist bereits teilweise Verschmutzungen durch Sitz-

proben auf. Eine Tendenz zur Vergilbung muss akzeptiert werden, da DuraForm PA gegenüber

UV-Strahlung nur unzureichend stabilisiert ist.

2. Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit

Sintermask

Die vergleichende Kostenrechnung für das entwickelte TPU-Material hat ergeben, dass beim

Lasersintern dieses Materials etwa 90 % der Kosten durch Maschinenkosten entstehen. Hier

wird der Einsatz des selektiven Maskensinterns mittels einer im Vergleich zu SLS-Anlagen sehr

günstigen Maschine einen enormen Fortschritt in der Fertigungszeit und den Bauteilkosten er-

möglichen. Damit wird es möglich sein, nach bionischen Prinzipien entworfene Bauteile einem

breiten Massenmarkt zur Verfügung zu stellen. Sintermask wird aufgrund der in diesem Projekt

erworbenen Kenntnisse und Fähigkeiten eine marktreife Maschine entwickeln, mit der das Bio-

nic Manufacturing mittels des Maskensinterns umgesetzt werden kann.

Fraunhofer Umsicht

Fraunhofer UMSICHT hat sich sowohl personell als auch maschinell große Kompetenzen in der

Materialentwicklung für das SLS aufgebaut. Bereits während der Projektlaufzeit konnten etliche

Firmenanfragen zur Materialentwicklung bearbeitet werden. Dies wird sich verstärken, da der

Trend zu anderen SLS-Materialien sehr groß ist. Im Jahr 2012 war eine sehr hohe Nachfrage zur

Entwicklung alternativer Materialien zum Standardbaustoff PA12. Dies liegt sicherlich daran,

dass aufgrund einer Betriebsstörung der faktische Monopolist (Evonik Degussa, Marl), kein ge-

fälltes PA12 mehr produziert und es zu großen Lieferschwierigkeiten kommt.

Folkwang Universität der Künste

Folkwang Universität der Künste hat eine Methodik entwickelt, welche den Designprozess von

bionischen Produkten anhand einer Bottom-Up-Vorgehensweise unterstützt. Dadurch können

auf Basis eines vielversprechenden Funktionsprinzips, das in der Natur entdeckt wurde, konkrete

und zutreffende Produktanwendungen generiert werden.

Angewandt wurde diese beim Bionic-Manufacturing-Verfahren. Weitere Anwendungsgebiete

wurden mit der Methode gefunden. Naheliegende Produktgruppen sind individuell angepasste

Prothesen sowie persönlich optimierte Protektoren oder Sportgeräte, wie z.B. Taucherflossen

oder Fahrradrahmen. Im Sinne eines Reverse Engineering kann das Bionic-Manufacturing-Verfahren auch zur Erzeugung kaschierter Sollbruchstellen durch lokal spezifische Steifigkeit

innerhalb eines Bauteils bei ebenmäßiger Außenfläche dienen. Eindeutig kommunizierbar ist die

Anwendung des Bionic Manufacturing-Verfahrens im Bereich Leichtbau. Naheliegende Anwen-

dungsfelder sind hier Ultraleichtflugzeuge, z.B. als Werbeträger für Solarzellen.

Zur Identifizierung alternativer Demonstratoren wurde klassische Innovationstechniken wie

Brainstorming, 653-Methode oder morphologische Matrix verwendet. Diese Methoden wurden

modifiziert, um weitere überzeugende Anwendungen zu identifizieren.

Fraunhofer IWM

Das Fraunhofer IWM hat das entwickelte Verfahren zur Erstellung lastangepasster, bewertbarer

zellulärer Strukturen für ein Patent angemeldet. Da dieses Verfahren eine rasche Überprüfung

und Optimierung des mechanischen Einsatzverhaltens komplexer generativ gefertigter Struktu-

ren ermöglicht, bietet es dem Anwender generativer Verfahren die Möglichkeit, belastungsge-

rechte Bauteile zu entwerfen. Eine weitere Verwendung dieses Verfahrens ist beispielsweise für

partizipative Innovationen geplant. Dazu wurde ein Antrag auf die Ausschreibung „Validierung

des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung – VIP“ des BMBF mit dem Titel „Validie-

rung eines Konzepts zur partizipativen Innovation und Produktion für individualisierte Möbelstü-


cke »Indimöbel«“ eingereicht. Auch bei einer Ablehnung ist eine Fortführung der Tätigkeiten in

jedem Fall geplant.

rpm

Derzeitig wird der Einsatz des seitens Fraunhofer Umsicht entwickelten TPU vorrangig verfolgt,

da dieses neue Produkt so am Markt nicht verfügbar ist. rpm liegen zahlreiche Anfragen zur

Bauteilherstellung mit diesem Werkstoff vor, weiterhin wurden bereits zahlreiche Bauteile für

Kunden erfolgreich gefertigt. Um die Verbreitung zu forcieren, wurde seitens rpm ein Produkt-

flyer aufgelegt und an Kunden versendet. Da ein bei rpm verfügbarer Prototyp einer Maskensin-

teranlage nicht für die Produktion von Bauteilen einsetzbar ist, werden die Arbeiten von Sinter-

mask mit hohem Interesse verfolgt. Eine zukünftige Nutzung dieser Technologie bei entspre-

chender Marktverfügbarkeit ist wahrscheinlich. Die vertieften Erkenntnisse aus diesem Vorhaben

hinsichtlich der Bauteilsegmentierung, des Fügens und der Oberflächenveredelung wurden im

Bereich der generativen Technologien bei rpm für die Bauteilherstellung übernommen.

3. Fortschritt bei anderen Stellen

SFB Am 1. Juli 2011 wurde der Sonderforschungsbereich 814 Additive Fertigung der Universität

Erlangen gestartet45. Sprecher ist Prof. Dr. Drummer, der schon lange für Additive Fertigung und

Lasersintern bekannt ist. Der SFB gliedert sich in die Bereiche Pulver und Werkstoffe, Prozesse

und Bauteile und es werden sowohl metallische als auch polymere Werkstoffe untersucht. An-

hand der Projektbeschreibung ist zu erkennen, dass einige Themen, die auch beim Bionic Manu-

facturing untersucht werden, aufgegriffen werden. Insbesondere:

Teilprojekt B6 Effiziente additve Fertigung von Multimaterialbauteilen

o „Fertigungsansätze zur simultanen, intensitätsselektiven Bestrahlung und zum

simultanen Multi-Materialauftrag“

o „räumlich gradierte und stetige, lokal angepasste, mechanische oder thermische

Eigenschaftsprofile“

Teilprojekt C2: Strukturoptimierung im Kontext der additiven Fertigung mit anisotropen Materialien

Im Zuge von Topologieoptimierungsverfahren wird eine gegebene Menge eines isotro-

pen Materials im Entwurfsraum möglichst günstig verteilt, sodass eine Struktur entsteht,

die einer Menge gegebener Lasten so gut wie möglich standhalten kann.“

Nicht behandelt werden in diesem SFB bionische Gestaltungsprinzipien.46

Es wurden einige Stuhlentwürfe präsentiert, die oberflächlich betrachtet ähnliche Prinzipien auf-

greifen. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass keiner der Entwürfe dem Demonstrator in

seiner aktuellen Form nahe kommt.

Coral-Stuhl des Herstellers Harechair (Kunststoffsitzschale auf Stahlrohr) (Bild 170)

Moiré von Harechair (Vollkunststoff, Hergestellt im Spritzguss)

Shapeways-Stuhl (Gesinterte Sitzflächen auf Stahlrohr)

45 www.sfb814.de 46 http://www.sfb814.forschung.uni-erlangen.de/


Bild 170: “Coral“-Stuhl von Harechair, Shapeways-Stuhl

4. Veröffentlichungen

Vorträge

A. Bernotat, P. Steffens, U. Scholz: From Invention to Product, DDM Conference, Berlin 2012

J. Bertling, J. Blömer, M. Rechberger, S. Schreiner: DDM – An Approach Towards Sustainable

Production, DDM Conference, Berlin 2012

J. Blömer: Material und Prozessentwicklung für das Mehrkomponenten-Lasersintern; Anwender-

forum Fraunhofer IPA, September 2012

J. Blömer : Material und Prozessentwicklung für das Mehrkomponenten-Lasersintern; 17. Fach-

tagung RP Technologie, FH Lemgo, November 2012

T. Ziegler: Ein Designansatz für ästhetische Gebrauchsgüter mittels biomimetischer Strukturen

Anwenderforum Fraunhofer IPA, September 2012

T. Ziegler, R. Jaeger: A Light Weight Design Approach for Aesthetic Consumer Goods Using Bi-

omimetic Structures; DGM-Conference Bio-inspired Materials, Potsdam 20.-23. March

2012


omimetic Structures; Direct Digital Manufacturing Fraunhofer Conference, Berlin 14.-15.

March 2012


omimetic Structures; Cellular Materials – Cellmat Conference, Dresden 7. – 9. November

2012

Patente

T. Ziegler, R. Jaeger Verfahren zur Konstruktion mechanischer Komponenten, beantragt

03/2012

Studentische Qualifizierungsarbeiten

http://webdb.dgm.de/dgm_lit/prg/FMPro

http://webdb.dgm.de/dgm_lit/prg/FMPro


O. Alsayed Sabsabi: Inbetriebnahme und Prozessoptimierung einer Versuchsanlage zum selek-

tiven Lasersintering sowie Integration einer Multimaterialpulveraufbringung, Bachelor

Thesis, Hochschule Niederrhein (2010)

S. Gör: Konstruktion eines Versuchsstands zum Lasersintern von Prüfkörpern; Diplomarbeit FH

Bochum (2012)

T. Hai Tran: Neue Werkstoffe für das Selektive Lasersintern auf der Basis modifizierter Thermo-

plaste, Diplomarbeit, Uni Düsseldorf (2010)

M. D. Idrissi: Entwicklung und Konstruktion eines neuen Pulverauftragssystems für das Selektive

Laser Sintern und dessen Inbetriebnahme in einem Multimaterial Teststand, Bachelor

Thesis, Hochschule Niederrhein (2011)

B. Scharnagl: Herstellung neuer Pulverblends für das selektive Lasersintern, Diplomarbeit Hoch-

schule Niederrhein (2010)

U. Schmerbeck: Entwicklung einer lokalen Pulverauftragung für das Mehrkomponenten-SLS,

Bachelor-Thesis, FH Bochum (2010)

P. Zeiger: Entwicklung eines Pulverdruckkopfs für das Mehrkomponenten-SLS, Bachelor Thesis,

FH Köln (2012)

Berichtsblatt

1. ISBN oder ISSN

-- 2. Berichtsart (Schlussbericht oder Veröffentlichung)

Schlussbericht

3. Titel

»Bionic Manufacturing« Entwicklung einer generativen Fertigungstechnik für die Bauteilherstellung nach biologischen Konstruktions- und Strukturierungsprinzipien am Beispiel des Freischwingers

4. Autor(en) [Name(n), Vorname(n)]

Blömer, Jan, Gerken, Jörg, Flötotto, Hendrik, Bernotat, Anke Jaeger, Raimund; Rechtenwald, Thomas

5. Abschlussdatum des Vorhabens

31. Mai 2012

6. Veröffentlichungsdatum

7. Form der Publikation

8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse)

Fraunhofer UMSICHT, Osterfelder Str. 3, 46047 Oberhausen rapid product manufacturing GmbH, Dieselstr. 15, 38350 Helmstedt Authentics GmbH, Am Ölbach 28, 33334 Gütersloh

Folkwang Universität der Künste, Universitätsstr. 12, 45151 Essen Fraunhofer IWM, Wöhlerstr. 11, 79108 Freiburg Sintermask GmbH, Eichenbühl 10 92331 Lupburg

9. Ber. Nr. Durchführende Institution

10. Förderkennzeichen

01RB0906 A,B,C,E,F

11. Seitenzahl

118

12. Fördernde Institution (Name, Adresse)

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

53170 Bonn

13. Literaturangaben

44

14. Tabellen

14

15. Abbildungen

170

16. Zusätzliche Angaben

17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)

18. Kurzfassung

Gesamtziel des Projekts ist die Weiterentwicklung des Selektiven-Laser-Sinterns (SLS) zu einer Fer-tigungstechnik für biologisch inspirierte Bauteile. Diese folgen sowohl in ihrer äußeren Gestaltung als auch in der inneren Werkstoffstruktur bionischen Prinzipien wie belastungsgerechter Geometrie und fein struk-turiertem, lokal variierendem Aufbau des Werkstoffs. Die Technik wird am Beispiel eines Freischwinger-Stuhls demonstriert, einem alltäglichen, jedem vertrauten Gegenstand, der jedoch werkstoffmechanisch eine hohe Komplexität aufweist, an dem die Vorteile der neuen Technologie demonstriert werden können.

Biologische Organismen erreichen ihre Leistungsfähigkeit in der Regel mit einer begrenzten Auswahl unterschiedlicher Materialien. Der Schlüssel hierzu liegt in der feinteiligen, belastungsgerechten und häufig hierarchischen Strukturierung der biologischen Werkstoffe und Konstruktionen. Demgegenüber kann bei thermoplastischen Kunststoffen eine innere Strukturierung zurzeit nur sehr begrenzt durch die stochastische Verteilung von Füllstoffen, Kurzfasern oder Poren erreicht werden. Das SLS bietet aufgrund seiner generativen Herstellungsweise das Potenzial für eine neue Fertigungstechnik, die sich an den biologischen Bildungsprozessen und den mit ihnen darstellbaren lokalen, inneren Strukturierungen und Konstruktionen orientiert. Dieses Potenzial zur Übertragung biologischer Werkstoff- und Konstruktionskonzepte bleibt bisher weitgehend ungenutzt, weil ausschließlich homogene Materialien verwendet werden.

Das Projekt zielt nicht auf die Übertragung eines speziellen biologischen Vorbildes in den technischen Kontext ab. Sondern es geht im Wesentlichen um die Entwicklung einer Technik, die langfristig das Potenzial zu einer Basistechnologie für die Bionik hat. Diese soll zukünftig die Herstellung bionischer Kunststoffbauteile und -produkte sowohl im gestalterischen als auch im technischen Bereich ermöglichen und unterstützen. Die zu entwickelnde Technik erweitert damit das Repertoire bionischer Optimierungsmethoden (CAO, SKO, Evolutionsstrategien), in die reale Bauteilfertigung hinein. 19. Schlagwörter

Bionik, Generative Fertigung, Lasersintern, Leichtbau, zelluläre Strukturen, Gradientenwerkstoff

20. Verlag

21. Preis

Document Control Sheet

1. ISBN or ISSN --

2. type of document (e.g. report, publication)

final report

3. title

»Bionic Manufacturing«

Development of an Additive Manufacturing Technology for the Manufacturing of Parts based on Biological Construction and Structuring Principles exemplified by a Cantilever Chair. 4. author(s) (family name, first name(s))

Blömer, Jan, Gerken, Jörg, Flötotto, Hendrik, Bernotat, Anke Jaeger, Raimund; Rechtenwald, Thomas

5. end of project

May 31, 2011

6. publication date

--

7. form of publication

--

8. performing organization(s) (name, address)

Fraunhofer UMSICHT, Osterfelder Str. 3, 46047 Oberhausen rapid product manufacturing GmbH, Dieselstr. 15, 38350 Helmstedt Authentics GmbH, Am Ölbach 28, 33334 Gütersloh

Folkwang Universität der Künste, Universitätsstr. 12, 45151 Essen Fraunhofer IWM, Wöhlerstr. 11, 79108 Freiburg Sintermask GmbH, Eichenbühl 10, 92331 Lupburg

(all Germany)

9. originator’s report no.

10. reference no.

01RB0906 A,B,C,E,F

11. no. of pages

118

12. sponsoring agency (name, address)

Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

53170 Bonn

13. no. of references

44

14. no. of tables

14

15. no. of figures

170

16. supplementary notes

17. presented at (title, place, date)

18. abstract

The target of the project is the enhancement of the selective laser sintering (SLS) technology to become a technology for the production of parts inspired by biology. These parts should follow biomimetic principles not only in their outer design but also in their internal structure and local material composition. In the project the advantages of the approach is demonstrated with a cantilever chair, a well known, everyday product but still complex technical requirements.

Biological organisms reach their outstanding performance with a very limited amount of different materials. A key approach is in the hierarchically organized, highly optimized structuring of the biological materials. The possibilities to structure thermoplastic resins by stochastic mixing with additives, short fibres or voids is very limited. Nowadays, SLS is not only regarded as a prototyping method but also as an manufacturing method. Due to the additive approach, SLS offers the potential for a new biomimetic manufacturing method. This potential is not widely used today, due to the lack of compatible materials and powder dosing technology.

The aim of the project is not the adaption of one specific biological antetype, but it is in a more abstract manner the adaption of the whole construction principle, which is widely used in nature. The aim is the development of a general technology for the production of biomimetic parts. The technology should complement the biomimetic optimization technology (CAO, SKO, evolutionary algorithms) to the real world.

19. keywords

biomimetics, additive manufacturing, lightweight construction, cellular structures, gradient materials

20. publisher

21. price

-

Schlussbericht Bionic Manufacturing · 2015-11-13 · Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906...

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