3-D-Druck Ingenieure müssen neu denken lernen

Wie der industrielle 3-D-Druck die Ausbildung von Ingenieuren revolutioniert – und Computer zu Designern macht.

So funktioniert 3D-Druck
Das Unternehmen Botspot hat unter der Leitung von Geschäftsführer Thomas Strenger ein ganz besonderes 3D-Konzept entwickelt. In seinem Berliner Laden können Menschen Miniatur-Figuren von sich nachdrucken lassen. Quelle: dpa
Dafür müssen sich die Kunden erst von allen Seiten in der gewünschten Pose mit speziellen Kameras abscannen lassen. Die 3D-Daten werden dann an einen Computer weitergegeben. Quelle: dpa
Am PC werden die Daten dann auf die Größe der gewünschten Figur umgerechnet. Wie auch ein Dokument an einen Drucker gesendet wird, lässt sich die digitale 3D-Karte des Körpers per Mausklick an den Printer schicken. Quelle: dpa
So sehen Modelle der 3D-Drucker aus, die die Figuren aus Gips produzieren. Jeder 3D-Drucker besteht aus einer Schiene, auf der sich der Druckkopf im Rhythmus des digitalen Fahrplans hin und her bewegt. Über den Kopf wird je nach Drucker das entsprechende Material aufgetragen. Quelle: dpa
Eine rote Schutzhülle sorgt bei Botspot dafür, dass keine äußeren Einflüsse auf den empfindlichen Gips einwirken, der vorsichtig Schicht für Schicht nach der Druckvorlage übereinander gelegt werden. Quelle: PR
Am Ende entsteht eine Gipsfigur, die nur noch etwas Farbe benötigt. Doch wie sieht der Druckvorgang unter der Schutzhülle genau aus? Quelle: PR
Gut ist das auf diesem Foto zu erkennen, das einen 3D-Drucker zeigt, der auf der Messe CeBIT in Hannover Plastik-Elemente gedruckt hat. Aus der kleinen rötlichen Spitze fließt das Material, das in hauchdünnen Schichten Stück für Stück aufgetragen wird. Dabei bewegt sich der Druckkopf langsam hin und her und gibt nach der Druckvorgabe vom PC das Material frei. Quelle: dpa

Lange galten vor allem die mikrometer-genaue Steuerung der Laserstrahlen in den Pulverschweißgeräten, das genaue Verständnis der physikalischen Prozesse und das Wissen um die Eigenschaften der per Laserlicht aus Metallstaub zu festen Bauteilen verschmolzenen Werkstücke als die entscheidenden Hürden beim industriellen Einsatz des 3-D-Drucks. Doch die Zeiten der Grundlagenforschung sind vorbei.

Das zumindest glauben Technologie-Experten wie der Materialwissenschaftler Claudio Dalle Donne. Er ist als Chef des Forschungsbereichs Metallische Technologien und Oberflächentechnik beim Airbus-Forschungsarm Airbus Group Innovations in Ottobrunn bei München für die 3-D-Technologien verantwortlich. „Wir kennen die Leistungsfähigkeit der additiv produzierten Bauteile so genau, dass wir sicher sein können, dass sie den Anforderungen der Zulassungsbehörden entsprechen.“

Auswahl von 3D-Druck-Verfahren

Auch Dalle Donnes Hamburger Kollege Peter Sander ist überzeugt, dass Airbus künftig Komponenten für Serienflugzeuge additiv herstellt. „Ich gehe davon aus, dass wir ab Anfang 2016 erste serienmäßig per 3-D-Druck gefertigte Titan-Träger und -Winkel in kommerzielle Flugzeuge einbauen können“, prognostiziert Sander, der für den Luft- und Raumfahrtkonzern in Hamburg die Einsatzmöglichkeiten von Zukunftstechnologien im Flugzeugbau ermittelt. Bereits Anfang 2018, so die Prognose des Hamburger Airbus-Experten, könnte es soweit sein, dass die ersten Jets mit additiv hergestellten Fahrwerksteilen starten und landen.

Und so stellt denn auch weniger die Produktionstechnik oder das Beherrschen der Fertigungsprozesse das größte Hindernis beim Erschließen neuer Einsatzfelder für den 3-D-Druck dar. Vielmehr sei die Herausforderung, auch bei den Konstrukteuren das Bewusstsein für die Chancen der neuen Technologien zu wecken, sagt Dalle Donne. „In der Vergangenheit gab es beispielsweise in der Metallverarbeitung die ‚zehn Regeln für gussgerechtes Design‘. Im anbrechenden Zeitalter der additiven Fertigung sind solche Beschränkungen weit gehend überholt.“

Software muss den neuen Ansprüchen angepasst werden

Was alles aus dem 3D-Drucker kommt
3D-gedrucktes Kleid
Obst muss nicht zwangsläufig auf Bäumen wachsen: Das britische Unternehmen
Hedwig Heinsmann, Architekt aus Amsterdam, will die Baubranche revolutionieren und vor allem umweltfreundlicher machen. Er arbeitet bei Dus Architects, einem Architekturbüro, das das erste Haus aus dem 3D-Drucker zu bauen versucht. Bisher stehen nur einige, 180 Kilogramm schwere Bauteile des Hauses. Innerhalb von drei Jahren soll daraus im Lego-Verfahren ein Haus mit 13 Räumen entstehen. Quelle: obs
In Wales haben Chirurgen ein Gesicht mit Teilen aus dem 3-D-Drucker repariert. Stephen Power hatte sich nach einem Motorradunfall den Oberkiefer, die Nase und die Wangenknochen gebrochen. Um die neue Gesichtsform möglichst realistisch darzustellen, haben die Ärzte einen CT-Scan von Powers Schädel gemacht, um daraus ein Modell zu drucken, auf dessen Grundlage Anleitungen und Platten gedruckt wurden. Durch diese Methode konnten die Knochen im Gesicht wieder an die richtigen Stellen gebracht und durch Platten zusammengesetzt werden. Seit dem Unfall war der 29-jährige so entstellt, dass er nur noch mit Sonnenbrille und Hut das Haus verlassen hat. Die Ergebnisse seien
Das 3D-Drucker sogar Organe drucken können, ist nicht neu. Doch nun zeigt ein konkreter Fall, wie 3D-Druck leben retten kann. Der 14 Monate alte Roland Lian Bawi litt an einem schweren Herzfehler. Der kleine Junge hatte Löcher in der Herzwand, die sich nicht von alleine schließen wollten. Um die komplizierte Operation üben zu können, erstellte der Arzt Erle Austin ein perfektes Modell des erkrankten Organs. So konnte das Operationsteam vor dem schwierigen Eingriff die Abläufe trainieren. Die Behandlung verlief erfolgreich. Quelle: 3dprint.com Quelle: dpa
Gestatten: Das ist Toothless, der kleine blaue Drache. Sie kann zwar kein Feuer spucken, dafür aber ein kleines Mädchen sehr glücklich machen. Die siebenjährige Sophie hatte von ihrem Vater von all den wundersamen Sachen gehört, die schon mit 3D-Druckern hergestellt werden können, und schickte kurzerhand einen Brief an die Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) mit der Bitte, einen Drachen für sie zu erschaffen. Die Forscher ließen sich nicht lange bitten und erschufen diesen kleinen blauen Drachen aus Titan für Sophie - sie war völlig aus dem Häuschen und möchte nun Wissenschaftlerin werden, wenn sie groß ist.
Zu Weihnachten wird gebastelt. Der Siemens Forscher Olaf Rehme hat dafür nicht Schere und Papier in die Hand genommen, sondern seinen 3D-Drucker angeworfen. Als private Spielerei druckt er Weihnachtsbäume aus superhartem Spezialstahl. Siemens stellt aus diesem Material Brenner für Gasturbinen her. Das Unternehmen nutzt die Technologie, um sich die komplexe Ersatzteil-Lagerung zu sparen. Außerdem lassen sich Formen drucken, die mit anderen Fertigungsmethoden unmöglich sind. Quelle: PR

Damit der Bewusstseinswandel möglichst früh in der Ingenieursausbildung beginnt, arbeiten die Airbus-Spezialisten nicht nur jetzt schon eng mit Hochschulen wie der Uni Bremen oder der Technischen Universität in Hamburg Harburg zusammen, berichtet Technologie-Spezialist Sander. Zusätzlich finanziere der Luftfahrkonzern eine eigene Stiftungsprofessur für bionische- und ALM-gerechte Konstruktion an TUHH in Hamburg-Harburg, die derzeit in Zusammenarbeit mit dem Laser Zentrum Nord von Professor Emmelmann vorbereitet-, und spätestens Ende 2014 aktiv sein wird. Und das sei, glaubt auch der Airbus-Technologieexperte, möglicherweise nur ein erster Schritt. „Vielleicht brauchen wir noch einen Professor.“

Doch damit die neuen Fertigungsverfahren ihre Potenziale künftig tatsächlich ausspielen können, braucht es nicht nur ein neues, kreativeres Denken bei Konstrukteuren und Studierenden, sondern auch die entsprechend modifizierten Software-Werkzeuge für das Design von Bauteilen – egal ob für den Flugzeug-, Automobil- oder Maschinenbau. Denn was in der Vergangenheit für die Designer galt, spiegelte sich auch in den Fähigkeiten der Designprogramme wider. „In der Vergangenheit musste Design- und Simulationssoftware zwangsläufig die limitierten Fertigungsmöglichkeiten klassischer Produktionsprozesse berücksichtigen“, sagt Uwe Schramm, Technologiechef beim Simulationssoftware-Hersteller Altair. „Solche Einschränkungen aber gehen immer auf Kosten des Gewichts-Leistungsverhältnisses der fertigen Werkstücke“.

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Bei additiver Herstellung hingegen müsse die Software die traditionellen Limitationen kaum noch berücksichtigen. Allenfalls wenn Metallbauteile im Pulverbett erzeugt werden, sei es mitunter erforderlich überhängende Teile abzustützen, so der Altair-Experte. Im Grunde aber lassen sich per 3-D-Druck fast beliebige Werkstücke herstellen – hohle Träger, beliebig gewölbte Bögen oder organisch gestaltete Winkel. Und wie die im Optimalfall aussehen, entscheidet im 3-D-Zeitalter günstigstenfalls nicht einmal mehr der Mensch allein. Statt dessen könnte es in Zukunft reichen, dass der Konstrukteur der Bauteile in der Designsoftware nur noch die unbedingt erforderlichen Befestigungspunkte und die gewünschten Belastungsvorgaben einstellt. Anschließend übernimmt der Rechner, der automatisch die optimale Bauform errechnet.

Simulationsgetriebenes Design heißt dieser radikale Konstruktionsansatz, den 3-D-Fertigung derart konsequent überhaupt erst ermöglicht – und der künftig auch traditionelle Rollenverteilungen in Unternehmen sprengen wird. Teilweise geschieht das schon jetzt. „Wir sehen bei unseren Kunden Konstruktion und Simulation teilweise bereits verschmelzen“, sagt Altair-CTO Schramm. Additive Fertigung, das zeigt das Beispiel, erfordert also Beides: Mensch und Maschine gleichermaßen fit zu machen für eine Fertigungstechnik, die die jahrhundertealten Limitationen der Konstruktion kurzerhand obsolet macht. Und die nun vor dem breiten, industriellen Serieneinsatz steht.

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