Topologieoptimierung für den Keramik-3D-Druck

Das Potential der Additiven Fertigung – die geometrische Freiheiten der Gestaltung – wird bisher nur unter Design Aspekten genutzt. Die künstlerische Freiheit, die die additive Fertigung eröffnet, bietet auch in der industriellen Anwendung neue Möglichkeiten des Leichtbaus. Die gezielte Reduzierung der Masse, ohne Einbuße des Einsatzverhaltens, ist für Keramik in der Industrie noch nicht umgesetzt worden

Um das Potential des 3D-Drucks für keramische Komponenten konsequent zu nutzen, entwickeln und testen WZR ceramic solutions GmbH und SiCo Solutions gemeinsam Simulationsmethoden, die eine Topologieoptimierung keramischer Bauteile ermöglicht. Als entscheidender Unterschied gegenüber dem Stand der Technik, werden die beim Sinterprozess auftretenden Spannungen sowie die keramische Schwindung berücksichtigt. Um beispielsweise Risse zu vermeiden, müssen große Massenunterschiede innerhalb eines Bauteils vermieden werden. Mit dem richtigen Verfahren und der richtigen Optimierung.

Optimierung keramischen Bauteile – leicht, stabil, hitzebeständig

Zur Konstruktion keramischer Bauteile gibt es viele Richtlinien. Es mangelt jedoch an einer analytischen Herangehensweise und Vergleichskriterien. Die Methode der Topologieoptimierung ist einen erfolgversprechenden neuen Ansatz.

Eine anwendungsspezifische Topologieoptimierung keramischer Bauteile wird inspiriert durch und orientiert an der herkömmlichen Topologieoptimierung für Bauteile aus Stahl erstellt. Darauf aufbauend spielen die richtungsabhängigen Materialeigenschaften gedruckter Keramiken eine zentrale Rolle. Ziel der Optimierung in diesem Schritt ist die Reduktion von Gewicht und Bauraum.

Beispiele sind Brennkassetten und andere Brennhilfsmittel, die häufig deutlich mehr Masse in den Ofen bringen, als die eigentlich zu brennende Keramik. Durch gezielte Reduzierung der Masse unter Wahrung der Belastbarkeit, werden die Energiekosten und die Zyklenzeiten reduziert.

Das anwendungsoptimierte Bauteil wird in einem zweiten Schritt ein weiteres Mal topologieoptimiert, jetzt mit einem fertigungsspezifischen Bezug. Insbesondere beachtet werden die Vorgänge beim Sintern. Dabei sollen Effekte wie Schwindung oder Verziehen des Grundkörpers untersucht werden. Da zu diesem Vorgang noch keine Standardmodellierung vorliegt, werden eine Modellierung und ein numerisches Berechnungsverfahren entwickelt. Ziel der Topologieoptimerung ist die Reduktion von Spannungen im Bauteil und die Wahrung der Form nach dem Sintern. Dabei soll die Rückkopplung zur Anwendung gewahrt bleiben. Entsprechend ist das Ergebnis der Topologieoptimierung nicht das fertige Bauteil, sondern der zu druckende Grünling. Auf diesem Weg wird sichergestellt, dass das keramische Bauteil nicht nur den Anforderungen in Hinblick auf Leichtbau genügt, sondern auch problemlos additiv gefertigt und gesintert werden kann.

Kontakt: Michael Lüke