Schlussbericht Bionic Manufacturing · 2015-11-13 · Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906...
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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
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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
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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:
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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:
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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.
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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.
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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 %!
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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
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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
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 26
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 27
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 28
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
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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).
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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).
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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).
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 32
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
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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).
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 34
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
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 35
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:
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 36
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
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 37
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).
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 38
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 39
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 40
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 41
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 42
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 43
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 44
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 45
Bild 43: Konstruktionsprinzipien, Copyright: Innovation
& Gestaltung, Folkwang Universität der Künste Bild 44: Konstruktionsvarianten, Copyright: Innovation & Gestal-
tung, Folkwang Universität der Künste
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 46
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).
Erkenntnisse Demonstrator
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 47
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.
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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
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 49
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.
Erkenntnisse Demonstrator
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 50
Bild 48: Freischwinger in der Entwicklung links: erste Outline Skizze, rechts: erste 3D-Darstellung Copyright: Innovation & Gestal-
tung, Folkwang Universität der Künste
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 51
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-
tung, Folkwang Universität der Künste
Bild 52: Testmodell der finalen Ergonomie für
Cellular Loop Copyright: Innovation & Gestal-
tung, Folkwang Universität der Künste
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 52
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".
Erkenntnisse Demonstrator
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 53
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 54
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 55
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 56
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
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 57
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 58
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
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 59
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
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 60
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).
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 61
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
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 62
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 63
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 64
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
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 65
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.
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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
TPA Vestamid E55S3 PA12/PTHF V55 Evonik Degussa 55D
TPA Vestamid E62S3 PA12/PTHF V62 Evonik Degussa 62D
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
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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.
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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.
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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.)
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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:
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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)
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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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 73
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.)
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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.
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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
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1 bis 10.000 Teile.
rapid product manufacturing GmbH
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O 1
6016
: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.
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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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 78
1 bis 10.000 Teile.
rapid product manufacturing GmbH
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rpm
Gm
bH
(IS
O 1
6016
:2002)
Arbeiten Materialteststand Sintermask II
rpm rapid product manufacturing GmbH
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
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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).
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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
Shuttletemperatur [°C]
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
Bauraumtemperatur [°C]
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.
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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.
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0
1
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3
4
5
6
7
8
140 150 160 170
Shuttletemperatur [°C]
Beli
ch
tun
gszeit
[s]
verwendete
Parameter
bestgeeigneter
Parameter
0
1
2
3
4
5
6
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8
140 150 160 170
Bauraumtemperatur [°C]
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 83
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)
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 84
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).
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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)
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 86
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)
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 87
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
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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
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 89
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 90
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)
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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)
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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
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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)
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 94
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 95
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).
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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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 97
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 98
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 99
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 100
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-
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 101
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.).
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 102
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 103
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.
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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).
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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.
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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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 107
1 bis 10.000 Teile.
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rpm rapid product manufacturing GmbH
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-
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 108
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 109
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).
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 110
Bild 165: Bauraumanordnung und Bauprozessmerkmale
Bild 166: Freischwingereinzelteile und manueller Fügeprozess
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 111
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-
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 112
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 113
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.
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 114
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-
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 115
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-
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 116
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/
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 117
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
T. Ziegler, R. Jaeger: A Light Weight Design Approach for Aesthetic Consumer Goods Using Bi-
omimetic Structures; Direct Digital Manufacturing Fraunhofer Conference, Berlin 14.-15.
March 2012
T. Ziegler, R. Jaeger: A Light Weight Design Approach for Aesthetic Consumer Goods Using Bi-
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
Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/2009 – 05/2012 118
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
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