Estrin, J.

Trenke, D.

Publikationsserver der Technischen Universität Clausthal

IMW - Institutsmitteilung Nr. 28 (2003) 65Selbsttragende Strukturen und deren Fertigung durch Rapid ToolingTrenke, D.; Estrin, J.Wissenschaftlern der TU Clausthal und der Univer-sität von West-Australien ist es gelungen, aus ein-zelnen Elementen zusammengesetzte Strukturenzu entwickeln, die sich ohne Verbindungselementeoder Bindemittel selbst tragen. Realisiert werdendiese Strukturen, in dem die Geometrie der einzel-nen Elemente ihre Selbstverzahnung  untereinan-der und damit der Gesamtstrukturen bewirkt. Er-setzt werden können hierdurch z. B. mittels Füge-technik zusammengesetzte Strukturen.Scientists from Clausthal University of Technologyand the University of Western Australia succeededin developing composed structures which are ableto support themselves without connectors or abinder. These structures are produced by inter-locking the individual elements of special geometrywhich results in the coherence of the entire struc-ture. Hereby it is possible to replace the conven-tional joining techniques.1 Prinzip der selbsttragenden StrukturenIn Zusammenarbeit des Instituts für Werkstoffkundeund Werkstofftechnik mit dem Institut für Maschi-nenwesen wurden an der TU Clausthal aus einzel-nen Elementen zusammengesetzte Strukturen ent-wickelt, bei denen die Geometrie der Elemente ihretopologische Selbstverzahnung in der Gesamt-struktur bewirkt.Diese selbsttragenden Strukturen können daherohne Verbindungselemente oder Bindemittel auf-gebaut werden. Äußeren Halt erfahren die lose an-einander anliegenden Elemente durch einen Rah-men, der die Gesamtstruktur umschließt. Durch dieVorspannkraft des Rahmens kann die Biegeelasti-zität der Struktur gezielt beeinflusst werden (sieheBild 1).Des Weiteren können die Eigenschaften derStrukturen durch das Einsetzen von geometrisch i-dentischen aber aus verschiedenen Materialien be-stehenden Elementen gezielt variiert werden. DieGeometrie der Elemente kann z. B. rohrförmig, po-lyederförmig oder osteomorph sein.Eine weitere Besonderheit dieser Strukturen ist,dass bei bestimmten Elementgeometrien einzelneElemente aus dem Verbund entfernt werden kön-nen (bis zu über 50 %), die Gesamtintegrität derStruktur aber erhalten bleibt /1/.Bild 1: aus Würfelelementen bestehende Struktur2 Fertigung der StrukturenZur Herstellung der komplexen Geometrien eignetsich insbesondere (und teilweise ausschließlich)das Fertigungsverfahren des Rapid Toolings, wel-ches am Institut für Maschinenwesen angewendetund weiterentwickelt wird.Durch das schichtweise, generierende Lasersinternder Strukturelemente ist es möglich, die am Com-puter entwickelten und konstruierten Bauteile un-mittelbar in reale Elemente umzusetzen. Hierdurchlassen sich kostengünstig und innerhalb kürzesterZeit die verschiedensten Geometrien fertigen.Durch die Wahl der Sinterparameter und Sinter-werkstoffe werden die Eigenschaften der selbstra-genden Strukturen ebenfalls gezielt beeinflusst.Hierzu zählen z. B. die Porosität, Oberflächenrau-higkeit, Festigkeit und Elastizität der einzelnenBausteine.Als Sinterwerkstoffe werden am Institut für Maschi-nenwesen verschiedenste Metallpulver wie z.B.Bronze, Stahl, Kupfer, usw. aber auch Keramikeneingesetzt.Zudem ist es möglich, die Strukturelemente alsVerbundstrukturen aus unterschiedlichen Material-kombinationen (z.B. Metall/Keramik) durch das La-sersintern herzustellen /1/.66 IMW - Institutsmitteilung Nr. 28 (2003)In Bild 2 sind beispielhaft lasergesinterte Struktur-elemente dargestellt, deren Geometrie aus einer„verdrehten“ Rohrform bestehen.Bild 2) lasergesinterte StrukturelementeDie einzelnen Elemente können unterschiedlicheWandstärken besitzen, wobei eine dünnwandigeAusbildung zur Schaffung einer großen Oberflächebei geringer Masse von Vorteil ist. Des Weiterenkönnen die Elemente eine beliebige Gestaltung ih-rer inneren Oberfläche aufweisen und mit verschie-densten Wirkstoffen befüllt werden.Durch das beschriebene Verfahren des Rapid Too-lings lässt sich die Porosität der Elementwandun-gen gezielt einstellen und bei Bedarf eine hohePermeabilität erzielen.Durch Elemente unterschiedlicher Länge könnenauch gekrümmte Strukturen bzw. eine Verankerungvon übereinander liegender Strukturebenen erzeugtwerden /2/.3 Anwendungsgebiete der StrukturenAufgrund des Wirkprinzips der sich selbsttragendenStrukturen kann diese Technologie die verschie-densten Anwendung finden: das Spektrum reichtdabei von der Bauindustrie (Fundamente, Gehweg-platten, Tunnelbau usw.), über die Sicherheitstech-nik (Sicherheitstüren- und Wände) und der chemi-schen Industrie (Katalysatoren, Ölabscheider, usw.)bis hin zum Maschinenbau (Torsionselemente) undder Luft- und Raumfahrt (Kachelbefestigung vonRaumfähren).Da es sich bei den selbsttragenden Strukturen umein neu entwickeltes bzw. neu aufgestelltes Prinziphandelt, ist die Anwendung zunächst ohne die An-schaffung von neuen Geräten oder Fertigungsanla-gen möglich. Im Vordergrund steht die Übertragungund Implementierung der Technologie in bereitsvorhandene Industriezweige (z. B. Fügetechnik).Weitere Einsatzbereiche ergeben sich, wenn esmöglich ist, die auf der makroskopischen Ebenevorliegenden Strukturen auf die mikroskopische o-der sogar molekulare Ebene zu übertragen.Die bei der Herstellung der Strukturelemente ge-wonnenen Erkenntnisse auf dem Gebiet des RapidToolings (Beeinflussung von Bauteileigenschaftendurch modifizierte Sinterstrategien und Sinterwerk-stoffe) lassen sich ebenfalls auf verschiedene An-wendungen transferieren. Hierzu gehören der For-menbau (verschleißbeständigere Kavitäten) oderaber die Automobilindustrie (Herstellung von hoch-festen Funktionsprototypen).Durch das Fertigen von porösen Elementen istauch eine Anwendung im Anlagenbau (z. B. Filter-technik) und im Akustikbereich (Schwingungs-dämpfung, Schallabsorption) denkbar /1/.4 ZusammenfassungDas von der TU Clausthal patentierte Verfahren /2/einer selbstragenden Struktur ermöglicht es, kon-ventionelle Füge- und Verbindungstechniken zu er-setzen und erschließt gleichzeitig zahlreiche neueAnwendungsgebiete. Dies gilt insbesondere bei derHerstellung der Strukturelemente durch das RapidTooling, da hierdurch Geometrien und Bauteilei-genschaften möglich sind, die durch kein anderesVerfahren gefertigt werden können.Das Prinzip der selbstragenden Strukturen undAnwendungsbeispiele werden vom IMW und demIWW auf der Hannover Messe Industrie (2004) vor-gestellt.5 Literatur/1/ Trenke, D.; Estrin, J.: ExponatbeschreibungHannover Messe 2004, SelbsttragendeStrukturen aus selbstverzahnten Bausteinenund deren Herstellung durch Rapid Tooling,IMW, IWW Clausthal 2003/2/ Patentschrift DE-10223796C1 „Aus Elemen-ten zusammengesetzte Struktur und Verfah-ren zu seiner Herstellung“, TU Clausthal2003

Selbsttragende Strukturen und deren Fertigung durch Rapid Tooling

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