Ein Auto aus dem 3-D-Drucker?

Flugzeugtragflächen sind den Flügeln von Vögeln nachempfunden, Saugnäpfe funktionieren wie die Tentakel von Tintenfischen: Die Natur ist Vorbild für zahlreiche Erfindungen und wissenschaftliche Errungenschaften. Nun wollen Forscherinnen und Forscher aus Österreich Strukturen aus der Natur nutzen, um die Herstellung von Fahrzeugteilen in Leichtbauweise aus dem 3-D-Drucker zu ermöglichen.

Das bedeutet u. a. einen Entwicklungsschub in Sachen E-Mobilität, denn ein geringeres Gewicht bewirkt eine bessere Fahrleistung und damit größere Reichweiten. „Der 3-D-Druck ist in bestimmten Anwendungsfällen nachhaltiger als herkömmliche Produktionsverfahren“, ergänzt Christian Kneißl vom Österreichischen Gießerei Institut (ÖGI), der die Koordination des Projekts innehat. Neben dem ÖGI sind zwei weitere Einrichtungen des Forschungsnetzwerks Austrian Cooperative Research (ACR) an dem Vorhaben beteiligt: das Österreichische Institut für Chemie und Technik (OFI) und das Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz (ZFE). Gemeinsam wollen sie die vorteilhaften Prinzipien aus der Biologie in die Technik übertragen – ein Vorgang, der in der Wissenschaft als Bionik bezeichnet wird.

Vorteil: Hohle Zwischenräume

„Die Natur hat Abertausende Jahre Erfahrung“, sagt Kneißl. „Sich von ihr inspirieren zu lassen, ist daher naheliegend.“So zeigen die Bienen vor, wie man mit wenig Materialeinsatz Strukturen von hoher Stabilität erzeugen kann. Ihre Waben sind ein Musterbeispiel für Effizienz. Einwirkende Kräfte verteilen sich entlang der Wände, und die Zwischenräume können hohl sein, ohne dass das Gebilde in sich zusammenstürzt.

Die Industrie hat dies längst erkannt und nutzt die Wabenform im Leichtbau. Damit seien je nach Produkt Materialeinsparungen von rund 30 Prozent möglich, so Kneißl. Unter anderem haben die Konstrukteure Flugzeugteile oder Kfz

Komponenten bei Maja und ihren Freunden abgeschaut. Schon lang werden beispielsweise Strukturelemente wie die Mittelkonsolen und die Halterung für Armaturenbretter in Fahrzeugen oder Teile des Cockpits von Flugzeugen auf diese Weise hergestellt.

„Wir wollen im Rahmen des Projekts ,3D-MeKuH‘ Verfahren entwickeln, um solche Leichtbaukomponenten aus Metall mit dem 3-D-Drucker besonders nachhaltig herstellen zu können“, erklärt Kneißl.

Soll auch mit Metall klappen

Es gehe vor allem darum, die realen Belastungsgrenzen im 3-D-Druck auszulegen: Jene Stellen am Bauteil, an denen im späteren Einsatz größere Kräfte einwirken, werden stärker gedruckt. Umgekehrt bedeutet dies weniger Materialeinsatz an Stellen, die geringeren Belastungen ausgesetzt sein werden. Eine der Herausforderungen dabei: Die unterschiedlichen Druckrichtungen müssen in der Software für die Konstruktion des Bauteils implementiert werden. „Das ist nicht so einfach, da beim Druck das Material schichtweise und in einer Richtung aufgetragen wird, die Kräfte am Bauteil aber in alle Dimensionen wirken“, sagt Kneißl. Dazu brauche es geeignete Softwaretools und zweckmäßige Lösungsalgorithmen.

Eine der Aufgaben der Forscherinnen und Forscher ist es darüber hinaus, das als Druckmaterial verwendete Metall zu charakterisieren. Die ausgedruckten Bauteile werden schließlich Belastungsproben unterzogen und die Resultate mit den Ergebnissen von zuvor erstellten Simulationen abgeglichen.

Das Ganze schneller umsetzen

Gelingt es, die Prozesse zu optimieren, dann können bionische Strukturen in Zukunft noch direkter umgesetzt werden, ohne Einschränkungen durch den Herstellungsvorgang in Kauf zu nehmen. Zusätzlich lassen sich auch Designvereinfachungen der Bauteile einfacher als bisher verwirklichen. Das wirke sich, gemeinsam mit der Materialersparnis, positiv auf den Energie- und Ressourcenverbrauch sowie auf den CO2-Fußabdruck der Komponenten im Vergleich zur konventionellen Fertigung aus, sagt Kneißl.

Der 3-D-Druck sei besonders ressourcenschonend für die Herstellung von Prototypen und Kleinserienteilen. Das Forschungsprojekt, das vom Wirtschaftsministerium unterstützt wird, läuft bis Mitte nächsten Jahres.