Schlussbericht Bionic Manufacturing

Transkript

1 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/ /2012 Verbundpartner Fraunhofer Umsicht rpm GmbH Authentics GmbH Industrial Design Folkwang Uni. der Künste Fraunhofer IWM Sintermask GmbH Ansprechpartner Jan Blömer Jörg Gerken Hendrik Flötotto Anke Bernotat Raimund Jaeger Thomas Rechtenwald Jan Blömer (Koordinator) Oberhausen,

2 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Inhaltsverzeichnis I II Kurze Darstellung Aufgabenstellung Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde Planung und Ablauf des Vorhabens Stand der Wissenschaft und Technik Zusammenarbeit mit anderen Stellen...11 Eingehende Darstellung Erzielte Ergebnisse AP 1 Potenzial bionischer Kunststoffprodukte (Authentics) Anforderungen an den Bionischen Freischwinger (AP 1.1) Normen/Regularien (AP 1.2) Lastenheft Freischwinger BIONA (AP 1.3) Technisch-Ökonomische Bewertung (AP 1.4) Marktanalyse bionischer Kunststoffprodukte (AP 1.5) AP 2 Bionische Konstruktionen (Folkwang) Recherche Analyse biologischer Vorbilder (AP2.1, PBG, Freiburg) Ansatzpunkte für bionisches Design (AP 2.2) Erstellung, Fortschreibung Gestaltungsregeln (AP 2.3) Erstellung, Fortschreibung Pflichtenheft (AP 2.4) Kontextanalyse zu Technik und Material (AP 2.5) Kontextanalyse zu Trends, Markt, Wettbewerb (AP 2.6) Kontextanalyse zu Ergonomie/Nutzerverhalten (AP 2.7) Gestaltungsideen und -Konzepte (AP 2.8) Umsetzung Entwürfe und Designmodelle (AP 2.9) Methodik, die den Designprozess bionischer Produkte anhand einer Bottom-up- Vorgehensweise unterstützt FEM Simulation Stuhl (AP 2.10, Fraunhofer IWM) Definition Belastungskörper (AP 2.11, Fraunhofer IWM) AP 3 Bionische Strukturierung (Fraunhofer IWM) Identifikation biologischer Vorbilder (AP 3.1) Entwurf bionischer Elementarzellen (AP 3.2) Variationsparameter Geometrie (AP 3.3) Variationsparameter Materialeigenschaft (AP 3.4) Zusammenfügen der Elementarzellen (AP 3.5) Simulation des homogenen Probekörpers (AP 3.6) Experimentelle Validierung (AP 3.7) Simulation gradierte Probekörper (AP 3.8) Beratung, vergleichende Berechnungen durch das KIT (AP 3.9) AP 4 Kooperative Optimierung (IWM) Homogenisierung der Zelleigenschaften für geradlinige Strukturen (AP 4.1) Homogenisierung der Zelleigenschaften für gekrümmte Strukturen (AP 4.2) Simulation des gradierten Stuhls (AP 4.3) Optimierungslauf des gradierten Stuhls (AP 4.4) Simulation und Optimierung gradierter Stuhl (AP 4.5, AP 4.6) Vergleich Prototyp und Simulation (AP 4.7) AP 5 Eigenschaftsvariable Sinterpulver (UMSICHT) Untersuchung von Polymerblends und Kompositen (AP 5.1 AP 5.5) Untersuchung von Polymer-Partikel-Systemen (AP 5.6 AP 5.8) Aktivierbare Zusätze (AP 5.9 AP 5.12) Herstellung eines Polymers (AP 5.13, 5.14, 5.15) Prüfen des Nachhaltigkeitsaspekts (AP 5.16) AP 6 Verarbeitungstests und Werkstoffprüfung (UMSICHT) Herstellung der Versuchsapparatur (AP 6.1, 6.2)...74

3 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Sinterverhalten im Sintermask Teststand (AP 6.3) Versuche bei rpm Versuche bei Umsicht Versuche in der Sinterstation 2000 (AP6.4) Werkstofftests (AP ) Dynamische Werkstoffprüfung (AP 6.9 Fraunhofer IWM) AP 7 Weiterentwicklung Maschinentechnik (Sintermask) Fortschreibung des Pflichtenhefts (AP 7.1, Umsicht) Mehrkomponenten-Dosierung mit Pulverdüsen (AP 7.2, 7.3, Umsicht) Mehrkomponenten-Dosierung mit Drucktechnik (AP 7.4, 7.5) Parameterbeeinflussung durch Variation der Laserleistung (AP 7.6) Einsatz von Feldkräften zur Partikelbeeinflussung (AP 7.8 und 7.9) Lieferung Materialprüfstand (AP 7.10) Anpassung des Powder-Shuttle-Systems (AP 7.11) Partikelausrichtung im Pulverbett (AP 7.12) AP 8 Produktionstechnik bionischer Kunststoffprodukte mittels SLS (rpm) Lastenheft aus Nutzersicht (AP 8.1) Herstellung von Prüfkörpern (AP 8.2) Herstellung von Elementarzellen (AP 8.3) Herstellung von Prüfkörpern aus Elementarzellen (AP 8.4) Herstellung makrostrukturierter Bauteile (AP 8.5) Verarbeitungstests mit Kompositen (AP 8.6) Verarbeitungstests mit aktivierbaren Pulvern (AP 8.7) Herstellung poröser Strukturen (AP 8.8) Herstellung Demonstrator Wirtschaftlichkeitsbetrachtung (AP 8.9) Qualität und Stabilitätsbetrachtung (AP 8.10) Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit Fortschritt bei anderen Stellen Veröffentlichungen

4 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 skalenübergreifende 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 Halbzeugzerspanung 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 Herstellungsweise 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 aufgeschmolzen 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 Werkstoff- und Konstruktionskonzepte ist aber bis heute weder systematisch untersucht noch technisch 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. Dieses 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 Wertschöpfungskette»vom biologischen Vorbild bis zum technischen Produkt«ab: In der Natur erstreckt sich die Strukturierung der Materialien über viele Längenskalen. In diesem Projekt soll dies auf zwei Skalen nachgebildet werden:

5 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 1: Projektstruktur Bionic Manufacturing nach der Umstrukturierung In der mikroskopischen Linie soll sich die Materialzusammensetzung innerhalb des Bauteils fließend ändern, um Gradientenwerkstoffe zu erzeugen. In der makroskopischen Linie sollen Netzund Gitterstrukturen erzeugt werden, die eine optimale Anpassung des Bauteils an die Belastung 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 Maschinentechnik, da es bisher noch keine Sintermaschinen gibt, die mehrere Materialien gleichzeitig verbauen 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 numerische 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 fiktives homogenes Material, dessen Eigenschaften sich aus der Zellstruktur ableiten lassen, berechnet. Die Aufgabe von Folkwang ist es, abstrahierte Erkenntnisse, die sich auf makroskopische Konstruktionen beziehen, aus der Analyse biologischer Vorbilder zusammengetragen. Vor allem sind solche Erkenntnisse von Interesse, die für die sichtbare Gestalt des Demonstrators»Freischwinger«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 Verfügung. 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.

6 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Tabelle 1: Meilensteinplanung Meilenstein M1 (nach 18 Monaten) M2 (nach 24 Monaten) Evaluierungskriterien Auswahl von bis zu drei für die weitere technische Entwicklung geeigneter Stoffsysteme, Nachweis der erreichbaren Kompositstruktur und der Variation in den Werkstoffeigenschaften Vorstellung geeigneter bionischer Elementarzellen Vorliegen eines belastbaren Detail Engineering für die technische Umsetzung 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 Projektzeitplans statt (Bild 1). Bereits zu Beginn hat der Partner MTT, der für die maschinentechnische Umsetzung zuständig war, das Projekt verlassen. Hierfür wurden im Wesentlichen lizenzrechtliche Gründe angeführt, die einer Verwertung der in dem Projekt erarbeiteten Ergebnisse entgegenstehen 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 Arbeitsablauf 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; hierbei wurden Zwischenergebnisse vorgestellt, fachlich diskutiert und das weitere Vorgehen abgestimmt. Darüber hinaus wurden bei Bedarf bilaterale Treffen mit einzelnen Partnern, insbesondere 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 einzelnen Fasern aufgebaut, die selbst wiederum schalenförmig strukturiert sind (Bild 2). Am Beispiel der Feinstruktur des Zahnschmelzes von Nagetieren lässt sich erkennen, wie ideal die Strukturoptionen 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 sichergestellt, dass die dünne Schmelzschicht nicht abplatzen kann (Bild 3). 1 P. Fratzl, R. Weinkamer: Nature s hierarchical materials, Prog. Mat. Sci. 52 (2007)

7 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 2: Strukturanalyse des Glasschwamms 1 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 Wirbelknochens genannt (Bild 4). Das spongiöse Innere des Knochens wird aus sogenannten Trabekeln gebildet, die entsprechend der Hauptspannungsrichtungen bei typischen mechanischen Belastungen ausgerichtet sind. Sie bestehen aus Kollagen, in dem speziell orientierte Kalziumphosphat-Nanopartikel eine wichtige Rolle für die Belastungsfähigkeit des Knochens übernehmen. 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 Mikrostrukturierung (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 Materialeinsatz in den belasteten Bereichen gegenüber einer überall gleichen Mikrostruktur die Festigkeit und/oder Steifigkeit des Bauteils deutlich erhöht werden. Gleichzeitig ist eine mechanische Bewertbarkeit des mikrostrukturierten Bauteils wünschenswert. Die Verfahren der generativen Fertigung werden jedoch überwiegend für kleine Stückzahlen 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 Mikrostrukturierung größerer Bauteile gibt es kommerzielle Software z. B. netfabb Studio 2. Diese ermöglicht aber keine mechanische Anpassung der Mikrostruktur an eine zu erwartende Belastung. Ebenfalls wird keine Berechenung der mechanischen Eigenschaften des mikrostrukturierten Bauteils angeboten. 2 netfabb GmbH, Lupburg.

8 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Struktur, 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 Rechenzeiten 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 amortisieren. 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, erreichen 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 Rapid Prototyping Verfahren entwickelt worden. Es wurden unterschiedliche Varianten für verschiedenste 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 Deposition Modeling (FDM) Anlagen haben mehrere Extruderköpfe, allein um ggf. ein Stützmaterial zusätzlich zum Baumaterial drucken zu können, das nachher vom fertigen Bauteil abgewaschen 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 Gebrauchsmodelle, da die erforderliche Festigkeit und Langzeitstabilität nicht erreicht werden. 3 Presseinformation Fraunhofer IFAM Knochen aus Metall 4 A. Gebhard: Generative Fertigungsverfahren, Hanser 2007

9 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 6: Prozess des Selektiven Lasersinterns (hier Prinzip Fa. EOS) schichtweises generatives Wachstum des Bauteils; rechts: Produktionshallen der Fa. FKM Sintertechnik. Bild 7 : DSC Analyse eines typischen SLS Materials (PA12) Das Selektive Lasersintern (SLS) zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass Bauteile erzeugt werden können, die nahezu die Gebrauchseigenschaften von Spritzgussbauteilen erreichen. Lediglich die Oberflächenqualität wird nicht erreicht, da die Oberflächen wegen des anhaftenden, 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 schaffen. 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 ausgestrichen. 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 sogenanntes Sinterfenster notwendig. In diesem Temperaturbereich können das pulverförmige Ausgangsmaterial und das geschmolzene Material gleichzeitig existieren (Metastabiler Bereich, ca. 172 C bei PA12). Beim Sintern verschiedener Materialien müssen sich diese Sinterfenster überlappen. 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

10 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 spritzgegossenen Bauteilen sind. 6,7 Nachteile 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 Bauraum 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 Schattenverfahren 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 Pulverauftragstechnik entwickelt (Powder Shuttle). Hierbei wird zunächst wesentlich mehr Pulver auf den Bauraum aufgebracht. Anschließend wird die Höhe der Bauplattform eingestellt und dann mithilfe 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 harmonische Synergie von Gebrauch, Materialität, technischer Umsetzbarkeit und kulturellen Wertvorstellungen zu erzielen. Oder, wie es Peter Smithson 8 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 Material 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): Florian Kühnlein, Dominik Rietzel, und Dietmar Drummer, Untersuchung der richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften und Bruchursachen maskengesinterter PA12-Bauteile, Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology, Nr. 2 (2012): Zitiert nach: Hauffe, Thomas: Sitzen und Design - Der Stuhl als Manifest. In: Eickhoff, Hajo: Sitzen. Eine Betrachtung der bestuhlten Gesellschaft. Frankfurt am Main, 1997.

11 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 beschleunigt werden. Bei der Suche nach alternativen Pulverdosiertechniken wurde auch die Dichtstromfördertechnik untersucht. Die Fa. Nordson, Erkrath stellte Fraunhofer UMSICHT hierzu 2 Versuchstage in ihrem Technikum zur Verfügung. Die untersuchten TPU-Typen wurden Fraunhofer UMSICHT von Bayer Material Science, Dormagen zur Verfügung gestellt.

12 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / II Eingehende Darstellung 1. Erzielte Ergebnisse 1.1 AP 1 Potenzial bionischer Kunststoffprodukte (Authentics) 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 biologischen 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 Authentics 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 Produkts 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 Detail betrachten: Im Falle unseres Freischwingers wird der Endkunde die Ergonomie optisch, haptisch, 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

13 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 weiteren 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 Haltbarkeit 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 Vertrieb 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 Anforderungen 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 Bezugsnebenkosten. Diese entscheiden maßgeblich über seinen wirtschaftlichen Erfolg oder Misserfolg.

14 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Aspekt. Hat dieser Aspekt vor gut 20 Jahren kaum eine Rolle gespielt, gewinnt dieser heutzutage immer mehr an Bedeutung durch verstärkte Aufklärung der Medien sowie Bewusstseinsänderung 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 Fachjargon Briefing genannt. Dieses Briefing beinhaltet bestimmte Anforderungen, die das zu gestaltende Produkt erfüllen muss. In erster Linie wird das Briefing auf die Produktionsmöglichkeiten 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 Kosten für die Herstellung. Der Herstellungsaufwand, die Komplexität/Herstellungstechniken und Anzahl der Fertigungsschritte des Produkts sind maßgeblich entscheidend und müssen im Briefing mit eingeschlossen sein; natürlich immer in Bezug auf die Preissegmente der jeweiligen Zielgruppen die angestrebt werden. Da der Freischwinger als ganzes derzeit noch in keinen Bauraum einer vorhandenen Sintermaschine passt, muss der Stuhl aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt 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 Sondereinzelkosten 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 Transportaufwendungen können bei Sondermaßen/Gewichten exponentiell in die Höhe schnellen. Leider ist der Freischwinger in dieser Hinsicht eher suboptimal gestaltet und ausgeprägt, sodass die Sondereinzelkosten 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 verantwortungsvoll und nachhaltig zu produzieren. Dies beginnt mit der Wahl der Materialien, über die Verarbeitungsschritte bis hin zur ökologischen Logistikkette, angefangen von der Verpackung, 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 haben. 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. Außerdem 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.

15 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Normen/Regularien (AP 1.2) Bei der Normung spielen der Einsatzzweck und -ort eine wesentliche Rolle: Es gilt zu unterscheiden 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 Festigkeit 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 Dauerhaltbarkeit. DIN EN 1022 Wohnmöbel-Sitzmöbel 11 : Im Vorwort wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Sitzmöbel dem Geräte- und Produktsicherheitsgesetz 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 Sitzmöbeln im Wohnbereich für Erwachsene fest. Werkstoffe, Gestaltung, Konstruktion und Herstellungsverfahren bleiben hier unberücksichtigt. Die statische Prüfung testet schwere, wiederholte Belastungen um sicherzugehen, dass das Möbelstück eine ausreichende Festigkeit aufweist und seine Funktion unter Hochbelastung bei üblichem 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 Bewegungen 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 Abschlussberichts sprengen. 11 Deutsche Fassung EN 1022: Ausgabe 2004

16 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 entsprechen: o Werkzeugfreie Fertigung auf Basis des Herstellungsverfahrens Rapid Prototyping o Einzelstückfertigung und Herausstellung der Vorteile der RP-Technologie gegenüber 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 entsprechen o Das Gewicht sollte unter dem anderer handelsüblicher Freischwinger liegen, max. 6-7 kg, Lounge Freischwiner kg o Aktueller Stand der Sitzergonomie, mehrere Sitzpositionen sollten möglich sein o Sitzhöhe 45cm und Sitzfläche von 45 x 45cm 2, Rückenlehnhöhe 80cm, Rückenlehne und Sitzfläche in einem Winkel von zueinander o Verwendetes Material muss UV-stabil, bruchfest aber elastisch, einzufärben, resistent 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 Verletzungsrisiko wie z. B. Quetschungen an Öffnungen o Einfache Reinigung o Problemlose und sortenreine Entsorgung Soll-Kriterien: Der zu entwickelnde Freischwinger sollte zudem noch folgenden Kriterien 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 Kriterien entsprechen: o Stapelbarkeit, Reihung o Objekttauglichkeit, d. h. Einhaltung der Objektnormen o Permanente Outdoor-Tauglichkeit

17 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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, Kantine, evtl. auch Büro, Messen Outdoor: 3.2. Zielgruppe o Nutzung im privaten Umfeld: überdachte Terrasse, Balkon; Garten ist nicht vorgesehen o Nutzung im geschäftlichen Umfeld: Außenbestuhlung Bistro; Terrasse ist nicht vorgesehen Eine Zielgruppe ist bei einem solchen Innovations- und Design-Objekt recht komplex zu ermitteln. Für die Erarbeitung der Zielgruppe wurde die neue Sinus-Milieu-Technik angewandt 13. Hier werden Verbraucher nicht mehr nur nach rein demografischen Daten systematisiert, sondern nach ihren Gewohnheiten, Vorlieben und Lebensauffassungen. Im ersten Schritt geht es darum, sich den einzelnen Milieus anzunähern. Daher unterteilt man die Gesellschaft in verschiedene 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 Verarbeitung gelegt. 13 Sinus Institut,

18 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 10: Einteilung der Zielgruppen gemäß des Sinus Modells 14 Die Konservativen: Diese konzentrieren sich immer mehr auf immaterielle Güter, wie die Gesundheit, denn sie besitzen schon fast alles Materielle. Neu angeschafft werden vor allem wertvolles Porzellan, individuell gefertigte Möbel, edle Autos sowie Kulturreisen unternommen. Sie legen viel Wert auf höchste Qualität, beste Materialien sowie dessen Verarbeitung und handwerkliche 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 anderen gesellschaftlichen Milieus ist bewusst gewollt. Sie legen ihr Augenmerk besonders auf hochwertigste Materialien und Produkte, besondere Gestaltung und Design, individuelle Einzelanfertigung, 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 persönlicher Kommunikation, wie z. B.: Das habe ich nur Ihnen von der Kölner Möbelmesse mitgebracht. 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 geprägt 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, unkonventionelle Lösungen und trendiges Design gelegt. Gerne werden auch mehrere Stilrichtungen miteinander gemixt. Die Modernen besitzen oft ein smartes Äußeres und nutzen ausschließlich die neuesten Kommunikationswege und Geräte. Beim Einkauf lieben sie es persönlich, fachlich sehr genau, direkt und schnell. Bevorzugte Produkte sind Up-to-Date Elektronik, versenkbare Flachbildschirme, Sofalandschaften zum Chillen. 14 Sinus Sociovision

19 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 11: Produktübersicht Freischwinger Die Experimentalisten: Diese geben sich avantgardistisch und stylisch. Sie haben Lust auf trendiges 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 machende Technik, Musikanlagen, Produkte mit trendigen Farben und aus neuen, innovativen Materialien 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 Produktpässe und Umweltzertifikate und sie identifizieren sich sehr häufig mit der Herstellermarke. Bevorzugte Produkte sind Bio-Möbel aus heimischen Hölzern, Produkte mit günstiger C0 2 -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 Produktinformationsflyer, 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 Bedeutung. Der Konsument von heute will, wie in Punkt 3. schon ausführlich beschrieben, genauestens 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 eindeutig beschreibt. Die wichtigsten Daten sind in Bild 12 zusammengefasst.

20 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Machund 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 Grundmaterial 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 Beweglichkeit des Freischwingers zum Tragen. Nachhaltigkeit: Dieser Aspekt spielt in unserem Projekt eine große Rolle, da er ein Hauptbestandteil der Grundanforderungen ist. Hier ist noch zu klären, inwiefern der Bauraum der Maschinen optimal genutzt 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 vorher festgelegten Forderungen einer Betrachtungseinheit. In der praktischen Anwendung des Qualitätsbegriffs sollte nach verschiedenen Qualitätssichtweisen unterschieden werden:

21 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Transzendentes Qualitätsverständnis: Entspricht etwa der umgangssprachlichen Sicht von Qualität. Demnach ist Qualität die subjektive Erfahrung einer Person hinsichtlich der besonderen, einzigartigen Eigenschaften eines Produktes. Produktbezogenes Qualitätsverständnis: Wird die produktbezogene Sichtweise bei der Qualitätsbetrachtung zugrunde gelegt, ergibt sich die Qualität eines Produkts aus der Erfüllung 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 Realisierung aller Kundenanforderungen an einem Produkt und entspricht der Qualitätsdefinition der ISO 9000:2005. Ein Fehlen von Merkmalen (fehlende Umsetzung einer Kundenforderung) wirkt sich damit sofort negativ auf die Qualität des Produkts aus. Alle vorgenannnten Aspekte des unterschiedlichen Qualitätsverständnisses sollten bei dem Freischwinger 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 Arten nichtfunktionaler Anforderungen für den Freischwinger sind: Zuverlässigkeit hinsichtlich Systemreife, Wiederherstellbarkeit, Fehlertoleranz und Haltbarkeit 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, Konformität und Austauschbarkeit Sicherheitsanforderungen hinsichtlich Vertraulichkeit, Informationssicherheit, Datenintegrität und Verfügbarkeit Korrektheit ist hier zu verstehen als Fehlerfreiheit im Sinne von Konstruktions-, Produktions-, Material- und Oberflächenfehlern 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.

22 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Vertriebs mit Provision, Skonto und Handelsrabatt aufgeschlagen und es ergibt sich der Ladenverkaufspreis ohne Mehrwertsteuer. Tabellen 2 und 3 zeigen zwei Kalkulationen, aufgeteilt in Recyclingpulver 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 (Recyclingpulver) sowie (Neupulver) je Freischwinger wird dieser auch kurzfristig nicht unter einem Ladenpreis von ca / excl. MwSt. angeboten werden können. Diese Preislage macht das Produkt faktisch unverkäuflich.

23 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Entwicklungszeit 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 Bauräume von Maschinen sowie effizientere Fertigungsmethoden- und Maschinen vorausgesetzt. Sollte die voranschreitende Technik die Herstellungskosten in 10+x Jahren um das 10-fache sinken lassen, würde ein Freischwinger anstatt geschätzter / nur noch ca im Fachhandel kosten. In dieser Preisklasse bewegt man sich im gehobenen Stuhlsegment, 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 eingesetzt 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 Anlauf 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 %!

24 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 13: Gestaltung eines Reifenprofils nach dem Beispiel einer Gepardenpfote 15 Bild 14: Vergleich klassischer Reifen mit bionischem Reifenprofil 16 Selbstverständlich sind die 153 kg nicht verbautes Material zu recyclen, aber das auch nur einmalig und das zurück gewonnene Recyclingmaterial kann nur bedingt in gewissen %-Anteilen Neupulver beigemischt werden. (siehe auch Kap ) Marktanalyse bionischer Kunststoffprodukte (AP 1.5) Als erster Schritt der Marktanalyse ist es wichtig, die Definition noch einmal genauestens zu vergegenwärtigen: Bionik verbindet Biologie und Technik mit dem Ziel durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die durch interdisziplinäre Zusammenarbeit an biologischen Vorbildern gewonnen werden, technische Fragestellung zu lösen. Die Firma Continental AG kann mit einem praxisnahen Beispiel aufweisen. Dort hat man hinsichtlich 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 Bremsen auf der Straße zu verbessern (Bild 13,14). 15 Continental AG 16 ibid

25 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 15: Nachgiebiger Roboterarm nach dem Vorbild eines Elefantenrüssels 17 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 Bodenhaftung 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 Experten 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 angewandte 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

26 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / a) b) d) c) 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 Der Gaudi Hocker wurde methodisch genauso entwickelt, wie Antoni Gaudi es pflegte zu tun: hängende Bögen, die besonders stabil sind. Das verwandte Material ist glasfasergefülltes Nylon, welches den Hocker zu einem Leichtgewicht 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 produziert Objekte wie Kleinmöbel, Verpackungen, Schmuck und Leuchten. Meistens sind diese Gegenstände von namhaften Designern gestaltet und einige dieser Einzelstücke sind sogar in weltbekannten Museen ausgestellt wie Modern Museum of Modern Art in New York oder Vitra Design Museum in Weil am Rhein (Bild 17). Bild 18 zeigt weitere Beispiele.

27 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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) Recherche Analyse biologischer Vorbilder (AP2.1, PBG, Freiburg) Biologische Materialien und Strukturen sind in der Regel gewichts- und formoptimierte Verbundwerkstoffe, die hauptsächlich aus Polymerfasern bestehen, welche in eine Matrix eingebettet sind. Obwohl tierische Gewebe und pflanzliche Zellen aus einer sehr beschränkten Anzahl von Grundbausteinen bestehen, erzielen sie erstaunliche und vielfältige mechanische Eigenschaften. Ausschlaggebend hierfür sind die effiziente innere Struktur und die Anordnung der Materialien. 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 Anordnung innerhalb einer Struktur. Beispielsweise können fast identische Kollagenfasern hochsteife Knochen, flexible Kreuzbänder oder hochelastische Blutgefäße ausbilden. Die Verbundwerkstoffe bestehen in der Regel aus einer Grundsubstanz/Matrix mit geringer Steifigkeit und einer Armierung mit hoher Steifigkeit. In natürlichen Materialien werden polymere, lasttragende Fasern 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 können hierbei ebenfalls auf mehreren Hierarchieebenen stattfinden.

28 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 19: Rhabarberpflanzen und Bruchmechanismus 18 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 Vorbild aufweisen, da es hier um die Abstraktion der zugrundeliegenden Mechanismen geht. Biologische 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 nachhaltig 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 Rindenfaserbündel vermutlich eine große Rolle spielen. Die beiden Fasertypen zeigen deutliche Unterschiede in ihren mechanischen Eigenschaften. Rindenfaserbündel zeigen eine hohe Steifigkeit bei geringer Dehnung und die Leitbündel eine geringere Steifigkeit und eine hohe Dehnung. Bei Impactversuchen werden Parenchym und Rindefaserbündel deutlich schneller zerstört als die Leitbündel, die aus dem Parenchym ausgezogen werden und Schlagenergie absorbieren (Bild 19). Der Drachenbaum (Bild 20) weist eine ausgeprägte Faser-Matrix-Struktur auf, die aus Fasern/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 anschaulich die Verteilung der Gefäßbündel innerhalb des Halmquerschnitts. Von innen nach außen 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), doi: /s y

29 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 komplexe Struktur. Somit entstehen im Falle des Pfahlrohrs oder Bambus stark dämpfende Leichtbaustrukturen mit hoher Steifigkeit und Festigkeit sowie gutmütigem Bruchverhalten (nicht splitternd).

30 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Tragwerkkonstruktionen 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 Flügel Steifigkeit. Die Falten verlaufen in guter Näherung parallel zur Flügellängsachse, sodass gerade die Längsrichtung gegen Durchbiegung stabilisiert ist. Solch eine Konstruktion hilft, Material zu sparen und somit Gewicht und Baukosten zu reduzieren 19 Ein Astloch wirkt wie eine Kerbe im Baum, da dort der Kraftfluss umgelenkt wird. Die Kerbspannungen 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).

31 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Kopfregion 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 Körpergewicht 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 Eigenschaften der Knochen liegen in ihrem Aufbau. Sie sind nicht massiv sondern bestehen aus einem Netzwerk von Knochenbälkchen (Trabekel), aus denen der schwammartige Innenraum der Knochen, 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).

32 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Materialeinsatz 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 Kerbspannungen. Existiert eine scharfeckige Kerbe, so treten dort hohe Kerbspannungen auf. Durch Anbringen 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 stumpfere 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 verfügbaren 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

33 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 29: Eine Muschel verankert sich mithilfe von Byssusfäden und einem Proteinkleber fest am Untergrund Matthew Harrington 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 Pflanzenreich 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. Typisches 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 übertragen 23 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 aufeinander 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 Reißverschlusssystem funktionieren. Ein solches System findet sich bei den Flügeldecken des Zwergrückenschwimmers. Die beiden Flügelhälften werden mit nacheinander einrastenden Nuten und Noppen gegeneinander fixiert Die chitinösen Strukturen werden beim Einrasten eines einzelnen Zackens 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 Brustsegment verfügt über feine Härchen. Aus Richtung Kopf und Brust schieben sich diese Arretierungshärchen 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) , (2007) 24 W. Nachtigall, K. G. Blüchel: Das Große Buch der Bionik, Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart (2000).

34 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Entwicklungen in AP 2.8 und 2.9 zu dokumentieren und zu steuern. Um die konstruktiven und gestalterischen Auswirkungen naturanaloger Optimierungen von Produkten zu untersuchen, wurden umfangreiche Literaturrecherchen 25 und eigene Untersuchungen an heimischen Pflanzen sowie in botanischen Gärten (u. a. Kiel des Rhabarber-Blattes) betrieben. Die gewonnenen Ergebnisse wurden nach Relevanz für die vorliegende Aufgabe gewichtet 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 untersucht. Im Anschluss wurden die Auswirkung der möglichen naturanalogen Optimierungsprinzipien 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 können 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 Skalierungsebenen sinnvoll genutzt werden: Makroebene: Steuerung der Steifigkeit durch die Prinzipien Zugdreiecke und Profilbildung 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 mehreren Skalierungsebenen oder mehrerer Prinzipien auf einer Skalierungsebene deren Kompatibilität geprüft werden Erstellung, Fortschreibung Gestaltungsregeln (AP 2.3) In AP 2.3 wurde untersucht, welche besonderen Formmerkmale sich durch naturanaloge Prinzipien 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 verglichen, 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 dokumentieren und zu steuern. 25 u. a. R. Mattheck, W. Nachtigall, B. Hill

35 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 31: Links Sitzkissen, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste; rechts Halber Pantonstuhl, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste AP 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 geometrischen 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 Abbildungsgenauigkeit der Elementarzellen. Anschließend wurde der zweite Probekörper "Halber Panton-Stuhl" erstellt. Hieran wurde untersucht, ob durch die Elementarzellen auch dünnwandige Flächenbauteile mit stark variierender Flächengeometrie nachgebildet werden können. (Bild 31) Teil Zur Entwicklung eines Leitmotivs für Gestaltungskonzepte wurden die besonderen gestalterischen Merkmale typischer Bionik-Produkte mit bekannten natürlich anmutenden Designprodukten verglichen. Dadurch konnten die besonderen gestalterischen Rahmenbedingungen für die Entwicklung der Form eines naturanalog optimierten Produkts festgelegt werden. Teil 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 Gestaltänderungen eines Bauteils. Bei der Verwendung von Elementarzellen auf der Meso- Skalierungsebene ergeben sich bestimmte Rahmenbedingungen, die beim Gestalten eines Produkts 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:

36 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 mm 3. Unterhalb dieses Werts ergeben sich an den dünnwandigen Stegen der Zellen aufgrund der Schichtstärke des Verfahrens unregelmäßige Flächenabschlüsse, 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 besteht. Diese Oberfläche ergibt sich aus dem Rastereffekt der Elementarzellen. Je größer die Zellen 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 Hohlräume zwischen den Trabekeln durchgängige Reihen erzeugen, deren Verlauf die Gesamterscheinung des Produkts stark prägen. Dabei können ästhetisch unerwünschte optische Phänomene auftreten wie z. B. abrupt endende Reihen oder versetzte Anschlüsse zwischen benachbarten Reihen. Diese zufälligen Anordnungen ähneln dem natürlichen Wachstum. Erscheinen diese optischen Phänomene jedoch zu deutlich, können sie die Gestalt des Gesamtobjekts stören. 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 Steuerung unmöglich ist, können durch Vermeidung von bestimmten Formen und Details (z.b. spitzwinkliger Dreiecks-Flächen) harmonische Reihenverläufe erreicht werden. Die Trabekelstruktur kann ebenfalls in gewissen Grenzen manuell gesteuert werden. Dies ist von besonderer gestalterischer Bedeutung, um den ästhetischen und gebrauchsfunktionellen Eindruck durch eine nachträgliche

37 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 33: Natürlich anmutende Formen: links Hauser & Wirth Table, Copyright Zaha Hadid, rechts Bone chair, Copyright, Joris Laarman, Anpassung zu optimieren. Unregelmäßige Mustergeometrien, welche beim automatischen Rastern 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 voluminös und schwer. Je größer die durchschnittliche Größe der Elementarzellen ist, desto offener erscheint die Bauteiloberfläche - das Produkt wirkt filigran und leicht. In Absprache mit Fraunhofer 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 Fügenähte und unterschiedliche Oberflächenstrukturen. AP Generell erkennen Laien bionische Produkte nicht und verwechseln sie oft mit biologisch-natürlich anmutenden Formen. Geschwungene, fließende Freiformen werden dabei aufgrund ihrer formalen Nähe zu natürlichen Vorbildern oft fehlinterpretiert (Bild 33). Ein formal natürlich anmutendes Produkt erscheint für den Laien durch diese Formmerkmale schon bionisch, bzw. naturanalog optimiert, obwohl es tatsächlich keine bionischen Aspekte aufweist. Das Verwechselungspotenzial ist sehr groß, daher sollte die Verwendung bestimmter Merkmale natürlich anmutender Formen für ein Bionik-Produkt mit Bedacht erfolgen. AP 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 verwendeten Prinzipien nicht nur konstruktiv sondern auch gestalterisch interpretiert und integriert werden (Bild 34).

38 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 34: Gestalterische Optimierung, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste Bild 35: Aibo, Copyright Sony AP 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.

39 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Der Roboter-Hund Aibo von Sony ist nicht bionisch, da die entscheidenden Bewegungsfunktionen und sein Körperbau nicht naturanalog sind. Die Form und die daraus resultierenden gestalterische Anmutung erwecken beim Betrachter jedoch dieselben Emotionen (Bild 35) Erstellung, Fortschreibung Pflichtenheft (AP 2.4) In AP 2.4 wurde - basierend auf den bionischen Erkenntnissen sowie den ergonomischen Analysen von Referenzpersonen und Nutzungsumgebungen - ein Pflichtenheft aus der Sicht des Industriedesigns 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 entsprechend 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 angestrebt. Kategorie Kann: Die Erfüllung dieser Bedingungen durch den Demonstrator ist wünschenswert. Das Pflichtenheft wurde in AP 1.3 erarbeitet (siehe S. 16) Die Nutzung der gebräuchlichen Entwicklungsmethode des Pflichtenheftes hat in diesem Zusammenhang deutlich gezeigt, dass auch der Bereich der Forschung und Entwicklung eines Design-Produkts mit komplexen und neuartigen technologischen Aspekten sehr gut unterstützt wird Kontextanalyse zu Technik und Material (AP 2.5) In AP 2.5 wurde untersucht, welche besonderen Rahmenbedingungen für die Fertigung des Demonstrators im Lasersinterverfahren unter Verwendung von Kunststoffpulvern gelten und welche Auswirkungen diese auf die Entwicklung des Demonstrators haben. Hierzu wurde untersucht, welche konstruktiv-gestalterischen Einschränkungen sich aus der Kombination der Fertigungstechnologie und der Verwendung der Elementarzellen ergeben und welche weiteren Gestaltungsmöglichkeiten durch die Nachbehandlung der Werkstückoberfläche möglich sind. Die generierten Erkenntnisse wurden genutzt, um die Entwicklungen in AP 2.8 und 2.9 zu dokumentieren und zu steuern. Es wurden zunächst unterschiedliche Quellen aus der Fachliteratur und dem Internet ausgewertet, um einen generellen Überblick über das Thema Rapid Prototyping zu erlangen. Hierzu wurden bekannte Designprodukte, welche im Rapid Prototyping-Verfahren gefertigt wurden, auf die Anwendung der unterschiedlichen Verfahren analysiert und die daraus resultierenden besonderen gestalterischen Merkmale zusammengefasst. Danach wurden die bedeutsamsten Produkte im direkten Austausch mit dem Fertigungspartner RPM diskutiert und somit weitere technologische Details zum Kunststoff-Lasersintern von Strukturen mit Elementarzellen in Erfahrung gebracht.

40 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 36: Links Haus der Köcherfliegenlarve, Copyright 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 Bauteilsegmentierung 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 berücksichtigt 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 stoffschlüssige Verbindung zu schaffen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Segmente einer Geometrie 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 Oberflächenqualitäten zusammengefügt werden. Die Wertanmutung wird dadurch erheblich reduziert. Dieser Effekt ist jedoch aufgrund der ökonomischen und technologischen Anforderungen nicht zu umgehen, weshalb im AP 2.8 weitere Möglichkeiten der Kaschierung durch eine farbliche Beschichtung untersucht wurden. Volumenkörper und nicht versintertes Kunststoffpulver: Volumenkörper mit vollständig geschlossener Oberfläche sollten aus Gründen der Gewichtsersparnis und der Materialeffizienz das Entfernen des nicht versinterten Pulvers aus dem Bauteilinneren ermöglichen. Bei der Verwendung der Trabekelzellen ergeben sich aufgrund der Formgeometrie Durchdringungen der Oberfläche in regelmäßigen Abständen von selbst. Diese müssen jedoch so angeordnet und dimensioniert sein, dass das nicht versinterte Pulver mittels Druckluft und Abrasivmittel problemlos herausgeblasen werden kann. Eine abschließende Kontrolle und eventuelle Korrektur der dreidimensionalen 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 egalisieren. Dadurch kann das Produkt auch gereinigt und gepflegt werden und behält einen dauerhaft 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 untersucht.

41 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 unterschiedliche Produkte innerhalb eines Fertigungsschritts erstellt werden. In einem Fertigungsbauraum können so Bauteilsegmente für z. B. einen Stuhl, eine orthopädische Prothese oder einen Fahrradhelm parallel erstellt werden. Es können jedoch auch herkömmliche Serienbauteile produziert werden. Hierbei ist ebenfalls von Vorteil, dass keine unterschiedlichen Ausgangsmaterialien und Werkzeuge für die Produktion vorgehalten und gerüstet werden müssen. Produkte können ohne große Zeitverzögerung auf Anfrage produziert werden. Diese besonderen Merkmale verdeutlichen die Einzigartigkeit des Kunststofflasersinterverfahrens. Ein in Serie gefertigtes RP-Produkt sollte sich in gewissen Aspekten von Produkten, welche in traditionellen Massenproduktionsverfahren (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 Reduktion der Kosten. Bei der Kontextanalyse zu Trends, Markt, Wettbewerb in AP 2.6 wurden diese Szenarien daher gleichermaßen berücksichtigt Kontextanalyse zu Trends, Markt, Wettbewerb (AP 2.6) In AP 2.6 wurde untersucht, welche Erfolgsaussichten am Markt der Demonstrator, bzw. bionische Produkte allgemein haben. Die generierten Erkenntnisse wurden genutzt, um die Entwicklungen in AP 2.8 und 2.9 zu dokumentieren und zu steuern. Unterschiedliche Quellen in Fachzeitschriften und im Internet wurden durchsucht. Zudem wurden 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 hingewiesen, die während der Messen IMM und Orgatec auftauchten: CoolChair und der Stapelstuhl Moire von harechair. Beide Stühle wirken aufgrund des verwendeten Materials transparent. 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 Möbelmesse 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 Messebesuch 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 Vordergrund 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 Kunststoff-Spritzguss-Verfahren gefertigt. Für die Definition eines Nutzungsszenarios muss zwischen dem Gebrauch bei den aktuellen Fertigungskosten 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 Vordergrund. Der naturinspirierte Ursprung der Funktion ist für viele Käufer nicht relevant.

42 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 dokumentieren 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 Probanden unterschiedlicher Größe und Körperstatur nach ihrem subjektiven Empfinden befragt. Anhand des ersten Teststands Geometrie wurden die optimalen geometrischen Werte für Parameter 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 erzeugt 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 Freischwingers zu erhalten. Die Elastizität der vorderen Beinpartie konnte bei diesem Teststand durch die Anzahl der eingesetzten Holzstäbe variiert werden. Die Tests mit den Probanden erfolgten 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 parametrisch 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 vorgegebenen 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 ebenfalls 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 Rückenfläche das Gefühl des Umkippens erzeugt wird. In diesem Fall muss durch eine genau bestimmte Steifigkeit der Federweg der Rückenlehne so berechnet werden, dass möglichst viele Personen von unterschiedlicher Körperstatur die Schwingfunktion noch als angenehm empfinden.

43 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 37 Teststand Sitzgeometrie, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang 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 vergleichsweise 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 Merkmale das Produkt nicht angepasst wurde eine eingeschränkte Funktionalität. Dadurch werden jedoch auch die Fertigung vereinfacht und die Kosten gesenkt Gestaltungsideen und -Konzepte (AP 2.8) In AP 2.8 wurden unterschiedliche Gestaltungsideen und-konzepte auf Basis der in AP 2.3 erstellten Gestaltungsregeln und der in AP 2.4 erarbeiteten Pflichtenheftes der For iterativ ausgearbeitet, bewertet und optimiert. (AP 2.8.1) Zudem wurden unterschiedliche technologische Konzepte zur Farbgestaltung untersucht (AP 2.8.2). AP Formgestaltungsideen & Konzepte Hierzu wurde zuerst eine umfassende Recherche zu Konstruktionsprinzipien von Freischwingerstühlen 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.

44 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste Auf Basis der entwickelten Gestaltungsregeln wurden Konzepte zur Formgebung ausgearbeitet unter besonderer Berücksichtigung von Ästhetik und Funktionalität, werkstoffgerechtem Materialeinsatz, verfahrensgerechter Formgebung, zutreffender Anwendung der Elementarzellen und Kombinationen verschiedener biologischer Prinzipien. Durch die Annahme potenzieller Nutzungsszenarien sowie der technologischen Umsetzbarkeit wurden drei unterschiedliche Konstruktionsprinzipien für eine detailliertere Untersuchung ausgewählt; Der Traditionelle, Der Praktische und Der Interessante (Bild 40). Danach wurden verschiedene Gestaltungskonzepte entsprechend biologischer Vorbilder entwickelt und diskutiert. Daraus resultieren zahlreiche Entwürfe (Bild 41, 42). Erkenntnisse Demonstrator Ein Freischwinger kann nach verschiedenen geometrischen Prinzipien konstruiert sein. Die Besonderheiten des Fertigungsverfahrens sollten dabei auch explizit in der Formgebung gezeigt werden. Der Schwingeffekt wird durch die unterschiedlichen Steifigkeiten innerhalb der Konstruktion des Stuhls ermöglicht. Die Schwingbewegung erfolgt bei fast allen herkömmlichen Modellen nur mit einem Freiheitsgrad. Die geometrischen Konstruktionselemente eines Freischwingers können auf Knoten-, Stäben-, und Flächenbauteile reduziert werden. Nach Anordnung dieser Elemente zueinander ergeben sich bei Belastung ein unterschiedliches Schwingverhalten und eine andere Belastungsgeometrie.

45 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 43: Konstruktionsprinzipien, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste Bild 44: Konstruktionsvarianten, Copyright: Innovation & Gestaltung, 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 Freischwingern aus funktionalen Gründen sinnvoll kombiniert werden. Für den Demonstrator wurde deshalb 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 ermöglicht. Zudem wird eine höhere Standsicherheit erzielt, da sich im Bereich der Standfläche durch die Profilierung nur eine linien- bzw. punktförmige Bodenauflage ergibt, anstatt einer vollflächigen. (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 Kombination 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 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 geeigneten 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.

46 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 45: Eingefärbte Probeteile, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste Um die Beständigkeit gegen Abrieb, Verschmutzung und UV-Einstrahlung zu untersuchen, wurden weitere Proben angelegt, die beim Forschungspartner Fraunhofer UMSICHT weiter untersucht 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 kaschiert 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 hervortritt. 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 Färbemittels durchgefärbt. Hierfür können fertige Produkte, wie "Lanaset" des Unternehmens "Huntsman" genutzt werden. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus Reaktiv-, Dispersions- und Säurefarbstoffen. Die Abriebbeständigkeit ist aufgrund der vollständigen Durchfärbung besonders gut. Die Poren der Oberfläche werden in diesem Fall jedoch nicht durch eine Einlagerung 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, Härte (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 Beschichtung ist zu beachten, dass der verwendete Lack ein gutes Verhältnis von Pigmentdichte, Viskosität 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.

47 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Tabelle 4: Abriebsproben, Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste Diese zweite Farbbeschichtung kann dann im Tampondruck-Verfahren erfolgen, sodass die Bauteilinnenstruktur 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 herausragenden Technologiemerkmal, den Trabekelzellen. Für die Einfärbung der Werkstücke sollten deshalb nur Standardfarbtöne verwendet werden.

48 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 erzeugt. 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 inneren Schattenwürfen und dunkler Farbe bei unvorteilhafter Beleuchtung zu einem schwarzen

49 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 mittelhellen 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 unterstützt (Körper mit besonderer Struktur gefüllt ) Umsetzung Entwürfe und Designmodelle (AP 2.9) In AP 2.9 wurden die im AP 2.8 entwickelten Gestaltungsideen und -Konzepte mit unterschiedlichen Darstellungsmethoden umgesetzt. Dabei wurde der erreichte Know-how-Zugewinn in Bezug 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 zunehmend die äußeren und inneren Strukturen/Ebenen in dem Gestaltungsprozess zu einem Gesamtobjekt verknüpft. Für verschiedene Versionen des Demonstrators wurden - in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWM - Festigkeitsberechnungen zur weiteren Optimierung durchgeführt. 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 dreidimensionale Modelle im Maßstab 1:5 per Rapid Prototyping umgesetzt und in Bezug auf die Forschungsziele mit den Projektpartnern besprochen. Die anhand der Probekörper "Halber Pantonstuhl" 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 "Trabekelisierung" 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 natürlichen 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 vorne um eine Trabekelreihe verlängert - zuerst rein visuell bei Folkwang, dann real, d. h. hier inklusive FEM-Berechnung bei IWM. Entlang der Seitenkanten des Demonstrators wurde auf Anregung 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 Pulvers verhindern würde.

50 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 48: Freischwinger in der Entwicklung links: erste Outline Skizze, rechts: erste 3D-Darstellung Copyright: Innovation & Gestaltung, 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 hinzuzugeben. Daraus folgt: Die Sitz- und Nutzseite des Demonstrators wird mehr Material beinhalten, 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 verfügbare Volumen optimal genutzt - im Sinne einer nachhaltigen Fertigung.

51 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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, Folkwang Universität der Künste Bild 50b: CAD mit Trabekel & Radien Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste Bild 51: Rendering Fußlösung Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste Bild 52: Testmodell der finalen Ergonomie für Cellular Loop Copyright: Innovation & Gestaltung, Folkwang Universität der Künste

52 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Methodik, die den Designprozess bionischer Produkte anhand einer Bottom-up-Vorgehensweise unterstützt oder Wie findet man eine konkrete Produktanwendung, wenn ein interessantes 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 zutreffende 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 "Industrial Design - Grundlagen, Begriffe, Wirkungsweisen" und Nr "Methodisches Entwerfen technischer Produkte". Erkenntnisse Demonstrator Das "Bionic-Manufacturing-Verfahren" eignet sich selbstverständlich auch für weitere Anwendungsgebiete. 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 dienen, um hierdurch lokal spezifische Steifigkeit innerhalb 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 Identifizierung alternativer Demonstratoren wurden klassische Innovationstechniken wie Brainstorming, 653-Methode oder morphologische Matrix verwendet. Diese Methoden wurden modifiziert, um weitere überzeugende Anwendungen zu identifizieren. Erkenntnisse allgemein Zur Auffindung von Produktanwendungen für neue Technologien wurde auf Basis der methodischen Vorgehensweise zur Identifizierung alternativer Demonstratoren des "Bionic Manufacturing-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 Generierung 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 Kategorien zusammengestellt. Dazu werden Begriffe, welche die besonderen Aspekte der neuen Technologie 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.

53 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 ermöglicht oftmals jedoch entscheidende Assoziationsprozesse, um zu einer bis dato nicht denkbaren Idee zu gelangen. Anhand unterschiedlicher Kontexte werden ebenfalls Begriffe zusammengetragen, die das Nutzungsumfeld 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 vorgegangen werden: Systematisch: Aus jeder Zeile einer Spalte ( ) werden die Begriffe zu einem Pool gefügt. (Bild 53) zufällige Vorgehensweise: Per Zufall wird aus jeder Zeile ( ) ein Begriff gewählt und zu einem Pool hinzugefügt. Begriffe können auch mehrfach genutzt und zu unterschiedlichen Begriffs-Pools hinzugefügt werden. Intuitiv: Nach Gespür/Plausibilitäts-Empfinden wird aus jeder Zeile ( ) ein Begriff gewählt und zu einem Pool gefügt. Begriffe können auch mehrfach genutzt und zu unterschiedlichen 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.

54 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 werden, um durch sie zu einer unkonventionellen Idee zu gelangen. Ein Begriffs-Pool kann zu mehreren Produktideen führen. Im vierten Schritt, der Verifikation, werden die entwickelten Produktideen dann durch das Abgleichen 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 zunehmender 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 FEM Simulation Stuhl (AP 2.10, Fraunhofer IWM) Am Fraunhofer IWM wurde das Stuhldesign Cellular Loop einer FEM Belastungsanalyse unterworfen. Dabei wurde auf experimentelle Materialdaten zurückgegriffen, die in Bild 54 gewonnen wurden. Durch die reguläre Zellenstruktur konnte aufgrund einiger weniger Experimente mit ausgewählten Prüfkörpern Vorhersagen getroffen werden über das Verhalten des mikrostrukturierten Stuhls. Die berechnete Tragfähigkeit des Stuhls nach Anpassung der Mikrostruktur lag bei 150 kg Definition Belastungskörper (AP 2.11, Fraunhofer IWM) Es wurde mit unterschiedlichen Belastungskörpern gearbeitet. In Bild 54 wurde eine parabolische Schale verwendet. Diese wurde relativ weit hinten platziert, da diese Sitzposition die höchsten Spannungen an den kritischen Übergängen am hinteren Ende der Sitzfläche erzeugt. Teilweise 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, sodass eine Gesamtlast von 150 kg entstand.

55 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Trabekeln der Substantia spongiosa. 1.3 AP 3 Bionische Strukturierung (Fraunhofer IWM) 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 Architektur 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 werden 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 wiederum einer anderen Umgebung als der Bambus und der Glasschwamm. Entsprechend anders sind auch hier die mechanischen Anforderungen.

56 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 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 Ausgangsgeometrie 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 Zugbelastung bereits weitgehend optimal ist. Die Form der Querschnittfläche der Trabekelarme spielt dabei keine Rolle. Anders sieht es bei Scherbelastung aus. Hier muss die Verrundung zwischen 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 Standardbasiszelle hat eine Raumausfüllung von ca. 17 % und weist eine uniaxiale Zugfestigkeit von ca. 5 % des Vollmaterials auf Variationsparameter Geometrie (AP 3.3) Entsprechend der biologischen Vorbilder soll sich die innere Geometrie an den Lasten orientieren. Zusätzliches Material soll in den Bereichen höchster Spannungen verwendet werden. Die Trabekelarme sollen sich entlang der Kraftlinien orientieren. Deshalb wurde eine Reihe unterschiedlicher Elementarzellen entwickelt. Diese orientieren sich geometrisch an der Standardzelle (Bild 60), weisen aber verstärkte Trabekelarme auf. Dabei wurde jeweils die uniaxiale Zugfestigkeit verdoppelt. 26 P. Kowalczyk. Elastic properties of cancellous bone derived from finite element models of parameterized microstructure cells. Journal of Biomechanics, 36: , C Mattheck, S Burkhardt A new method of structural shape optimization based on biological growth Int. J. Fatigue, 12 (1990), pp

57 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Koordinatenflächen auf. Zusätzlich wurden Geometrien für asymmetrische Zellen mit einer bevorzugten Raumrichtung entworfen (hier nicht gezeigt) Variationsparameter Materialeigenschaft (AP 3.4) Da die Materialeigenschaften innerhalb des Projekts nicht variiert wurden, wurde die Variation in der Simulation auf strukturelle Änderungen beschränkt 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 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 Fertigung 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.

58 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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) 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 Ergebnisse mit denen aus der FEM zeigte eine gute Übereinstimmung. (Bild 62) Simulation gradierte Probekörper (AP 3.8) Es wurden keine gradierten Probekörper simuliert, da experimentelle Daten für die Validierung fehlten 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 Informationsfluss 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 häufig sowohl hinsichtlich des Materials (E-Modulverteilung, gerichtete Anisotropie) als auch der Form optimiert. Die dem Baum zugefügten Löcher verheilen spindelförmig 28 (Bild 64). 28 C. Mattheck, Design in der Natur

59 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 verschließt 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 translatorisch in x- und z-richtung fest eingespannten, durch senkrecht 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 geführt 29, sodass der Lochquerschnitt - parallel zur Knochenwand betrachtet - elliptisch ausfällt. Die Oberfläche des Demonstratorbauteils (Bild 65) wird nicht geschlossen sein, sondern zahlreiche 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 natürlicher 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

60 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Belastung, also in Abhängigkeit der lokalen Spannungen gewählt. Die Orientierung der Ellipsen erfolgte 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 Spannungen. Die Wahl von variablen Ellipsen als Form für die Aussparung führt zu den geringsten Spannungen bei relativ geringer Zunahme des Gewichts. Die Ellipsen senken in hoch belasteten Bereichen die Spannungen sowohl durch den größeren tragenden Querschnitt zwischen den Ellipsen als auch durch die formbedingt geringeren Spannungskonzentrationsfaktoren (Bild 72).

61 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 72: Vergleich der Spannungen und des Plattengewichts bei den unterschiedlichen Aussparungsformen, bezogen auf die Aussparungsform 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 experimentell durch dehnungsfähige Werkstoffe möglich, gegebenenfalls auch iterativ, als auch durch Finite-Elemente Simulationen. Die folgenden FEM Berechnungen (Bild 73,74) wurden linear-elastisch, geometrisch nichtlinear vorgenommen. Bild 73: Prozedur der Kerbformoptimierung durch Zugdeformation des Bauteils, Herausschneiden der gewünschten Kerbdeformation und Unterdrückung der ungewünschten Deformationen der Bauteilaußenmaße. Bild 74: Rechnerischer Nachweis des Kerbspannungsabbaus durch Zugdeformation, (rot: hohe Spannungen, blau: geringe Spannungen). 30 Photoelasticity for Designers, 1969

62 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 75: Kerbspannungsabbau an einem Schlitz unter Schubbelastung A) rechnerisch mit FEM (rot: hohe Spannungen, blau: geringe 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 Deformation. 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 beachtet 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 Spaltung der Faserbündel (Faserdelamination) auslösen. Dies kann auch in anderen stark gekrümmten Baumteilen wie z. B. Ästen stattfinden.

63 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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) Homogenisierung der Zelleigenschaften für geradlinige Strukturen (AP 4.1) Für die Homogenisierung der Zelleigenschaften wurden die experimentellen Ergebnisse der Probekörper 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 Scherbelastung in einem Bauteil auftreten. Die so gewonnenen Spannungs-Dehnungskurven wurden mit Modellierungsergebnissen verglichen (Bild 78). Insbesondere die gute Vorhersage der Tragfähigkeit rechtfertigt die Homogenisierung der Materialeigenschaften (Vorhersage Modell: 551N, gemessen 560N) 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 Öffnungswinkeln von 0 bis 50 ). Die Prüfung ergab, dass diese Balken auch bei erhöhten Krümmungen gleiche oder höhere Tragfähigkeiten haben als die rechtwinkligen Biegebalken. Die Homogenisierung wurde so auch für gebogene Geometrien validiert. (Bild 79) 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 Tragfähigkeit 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 verstärkt werden, was auch in den verschiedenen Entwürfen sukzessive umgesetzt wurde.

64 Kraft (N) Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Experiment Simulation homogenisiertes Material Traversenweg (mm) 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.

65 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 81: Mechanische Prüfung des skalierten Stuhls im Design Cellular Loop 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 Basiszellen 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, ästhetisch an Glasschwämmen anlehnt und mechanisch die Materialverteilung des Bambus imitiert Simulation und Optimierung gradierter Stuhl (AP 4.5, AP 4.6) Ein Materialgradient konnte während der Projektlaufzeit nicht auf Stuhlebene realisiert werden 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 aufgebaut. Der Stuhl mit der gradierten Mikrostruktur wurde am Fraunhofer IWM auf seine Tragfähigkeit hin geprüft (Bild 81). Die berechnete Tragfähigkeit für die skalierte Version betrug mindestens 240 N. Diese Rechnung war konservativ, da für den gesamten Stuhl die Materialdaten senkrecht zur Aufbaurichtung angenommen wurden. Entlang dieser Richtung weisen im Selective 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.

66 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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) Untersuchung von Polymerblends und Kompositen (AP 5.1 AP 5.5) Ursprünglich wurden beim SLS überwiegend amorphe Thermoplaste wie Polycarbonat (PC), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Polyvinylchlorid (PVC) eingesetzt. Unter den teilkristallinen Thermoplasten hat sich besonders Polyamid 12 (PA12) in sehr kurzer Zeit als der Standardwerkstoff beim SLS durchgesetzt, aufgrund der erzielbaren hohen Festigkeiten und hohen Bauteildichten 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 verwendeten Polymere: Duraform und Orgasol sind spezielle Lasersintermaterialien. Vestosint ist ein Material für das Wirbelsintern. Pebax, Vestamid und Elastollan sind Materialien mit einer wesentlich geringeren Härte, die als elastische Komponente eingesetzt werden sollen. Die SLS- Materialien und das Wirbelsintermaterial liegen bereits pulverförmig vor. Die anderen Materialien müssen kryogen gemahlen und anschließend durch Sieben auf die gewünschte Korngrößenverteilung 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 Verträglichkeitsvermittler 31 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, Vibrationssiebmaschinen und ein Hochleistungsmischer eingesetzt; es sind aber keine Auswirkungen des Mischverfahrens auf die Eigenschaften der Endmischung feststellbar. Aus diesen Mischungen 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 entsprechende Probekörper zu erhalten, da es zu Lufteinschlüssen kommt. 31 Scona TPEF 1112 PB und Fusabond N.M 0525D

67 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Tabelle 6: Zusammenfassung der Analysen der Partikelform, Partikelgröße sowie der Viskosität und eine subjektive Bewertung nach Schulnoten Material Partikel- form Partikelgröße d(0,5) (µm) Viskosität Span Bewertung Pa s Bewertung Polyamid 12 Duraform , Polyamid 12 Orgasol 1 46,6 4, Vestosint ,3 0, PEBAX ES Black ,1 1, PEBAX 3533SP ,2 1, PEBAX 4033SP ,6 1, Vestamid E40S ,2 2, Vestamid E55S3 4 98,1 1, Vestamid E62S ,6 1, Elastollan 1185A 6 318,4 1, 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 Polymere aufweisen. Darüber hinaus wurden in der Ofenform Zugstäbe gesintert, die aus zwei unterschiedlichen Materialien 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 Lasersinterversuchstand 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 Teststand noch auf der Sinterstation 2000 (Bild84). Hiermit können Proben, die aus zwei verschiedenen 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.

68 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Anforderungen an die Materialien gestellt, da nur ein enges Temperaturfenster je Material zur Verfügung steht, sodass keine Bauteile mit PA12 als Hauptkomponente und einer weiteren Komponente erzeugt werden können 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.

69 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 ausgewählt: Anorganische Verbindungen: Aluminiumhydroperoxid, Bariumsulfat, Calciumcarbonat, Eisenoxid, Siliciumcarbid, Siliciumdioxid, Titandioxid, Zinkoxid Elastomere Pulver: Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Naturkautschuk (NR), Naturkautschuk+ Styrol-butadien-Kautschuk (NR-SBR) Kurzfasern: Aramid (700µm), Carbonfasern (150µm), Glasfasern (230), Polyacrylnitrilfasern (500) Als Matrixmaterial wird PA12 Lasersinterpulver (Duraform, Orgasol) ausgewählt. Durch aufwendige Vorversuche wird die Additivauswahl weiter eingeschränkt. Tabelle 8 zeigt die schließlich eingehender untersuchten Additive, ihren Volumenanteil, die Herstellweise und den Anwendungsbereich. Bild 86 zeigt die ermittelten Elastizitätsmoduln der drucklos, im Ofen gesinterten Proben: Die Metalloxide haben (erwartungsgemäß) nur einen geringen Anteil auf den E-Modul. Aramidfasern haben ebenfalls keinen Einfluss. Am deutlichsten steigern Carbonfasern den E-Modul, gefolgt 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 versehenen 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 Sinterbedingungen noch nicht optimal eingestellt. (Laut Datenblatt sind Zugfestigkeiten um 1500 MPa erreichbar.)

70 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 86: E-Modul der drucklos hergestellten Zugstäbe (Matrixmaterial Duraform) Bild 87: E-Modul der gepressten und auf der SLS Anlage hergestellten Zugstäbe 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 Strukturierung erfolgt durch eine lokale Aktivierung z. B. durch den Laserstrahl des SLS während des Bauprozesses. 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 aktivierbare 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 Matrixmaterialien. 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 Eigenschaften von Thermoplasten nach der Formgebung deutlich verbessert:

71 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 88: TPU bei der Verarbeitung mit Rauchentwicklung Bild 89: Spannungs-Dehnungskurve TPU Desmosint Thermoplaste bestehen aus langen Molekülketten. Die mechanische Verschlaufung dieser Ketten trägt wesentlich zur Festigkeit der Materialien bei. Bei Erwärmung werden die Ketten beweglich und gleiten aneinander ab. Beim Strahlvernetzen werden die fertigen Bauteile mit energiereicher 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 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 Weichsegmenten 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 nachgerüstet. Das Material ist hervorragend für die Sintermask-Technologie geeignet, da die Leistungsdichten durch die flächige Belichtung um drei Größenordnungen geringer sind. (siehe Kap ) 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 wurden 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)

72 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Tabelle 9: Mechanische Eigenschaften von Lasergesintertem PA12 und Spritzgegossenem PA12, PE-HD und PP Injection moulded SLS Property PA12 PP PE-HD PA 12 Ultimate Tensile Strength [MPa] Young s Modulus [MPa] Elongtion at break [%] Bild 90: Aus TPU gesinterte Schuhsohle Prüfen des Nachhaltigkeitsaspekts (AP 5.16) Generative Fertigungsverfahren haben das Potenzial, zu einer nachhaltigen Fertigung beizutragen. 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 Spritzguss 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 Robotergreifer, 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.

73 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Tabelle 10: Mechanische Eigenschaften verschiedener Konstruktionsmaterialien SLS PA12 injection moulded CR- PA12 manual CRP* PP GF30 PA 12 GF50 metal processing Duraluminium Steel high perf. steel Density [g/cm 3 ] Young s Modulus [N/mm 2 ] Strength [N/mm 2 ] Specif. Young s Moduls [Ncm 3 /mm 2 g] Specif. [Ncm 3 /mm 2 g] Strength 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 % Neupulver vermischt 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 Massenfertigung nicht einholbar. Das Lasersintern kann seine Vorteile nur bei sorgfältiger Auswahl der Randbedingungen ausspielen: (Kleinserien, Spare Parts on Demand, etc.)

74 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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) Herstellung der Versuchsapparatur (AP 6.1, 6.2) Die ursprünglichen Planungen sahen einen sehr einfachen, händisch zu bedienenden Versuchstand vor, bei dem die Schmelzenergie nicht durch Laser sondern durch alternative Belichtungstechniken (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 wesentlichen Anlagenkomponenten geworden. Trotzdem hat sich die Maschine im Projekt außerordentlich 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 kommerziellen Maschine. Bild 92 zeigt die Gesamtansicht der Maschine. Sie besteht aus der eigentlichen Anlage und einem 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 Heizstrahler, die getrennt für den Bauraum und den Vorrat gesteuert werden können. Die Tabelle 12 gibt die wichtigsten technischen Daten der Versuchsanlage wieder. Das Anlagenkonzept hat sich bei der Materialentwicklung außerordentlich bewährt.

75 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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

76 Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, nur mit schriftlicher Genehmigung der rpm GmbH (ISO 16016:2002) Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / rpm rapid product manufacturing GmbH Übersicht Materialteststand Sintermask mit wesentlichen Funktionen Die Vakuumpumpe erzeugt ein Vakuum im Bauraum. Tür zur Pumpe offen lassen, um die Kühlung zu verbessern. Die Belichtungseinheit kann nicht manuell angesteuert werden. Hier wird die Schablone eingelegt und der Fokus definiert. Die Druckanzeige zeigt den Druck innerhalb des Bauraumes an. Dieser sollte bei 5-8 mbar liegen. Das Shuttle (links) befindet sich in Ausgangsposition. Im Bauprozess bewegt sich dies nach rechts über den Bauraum. Das Shuttle. Es erwärmt das Pulver vor dem Bauprozess über Heizlamellen, die sich unter dem Pulver befinden. Die Belichtungseinheit von unten Vorratsbehälter mit Rührwerk. Hier lagert das Pulver für den Bauprozess und wird bewegt, damit es nicht verklumpt. Der Hebel dient dazu, den Unterdruck aufzuheben. Achtung: Langsam öffnen, sonst staubt es in der Kammer. Der Computer mit der Software, die den Prüfstand steuert. Im Kupferrohr befindet sich eine Schnecke, die das Pulver aus dem Vorratsbehälter in das Shuttle transportiert. Der Not-Aus-Knopf stoppt den Prüfstand. Mit dem Schlüssel wird zwischen manuellem Betrieb und automatischen Betrieb (Bauprozess) gewählt. Hier sind Netzteil sowie die Steuerung untergebracht. In diesem Behälter ist der Bauraum untergebracht. 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. rapid product manufacturing GmbH 1 bis Teile. Bild 94: Funktionen Materialteststand 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 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 wurden sowohl technische als auch sicherheitsrelevante Rahmenbedingungen diskutiert und Änderungen 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 Wartungshinweisen und einer Übersicht von Fehlermeldungen. Im Weiteren wurden Machbarkeitsuntersuchungen zur Erzielung eines reproduzierbaren Schichtauftrags mit unterschiedlichen Pulvern durchgeführt, das Sintern stand bei diesen Untersuchungen nicht im Vordergrund. Für die Arbeiten wurden ein SLS-Standardpulver auf Basis Polyamid 12, zwei thermoplastische Polyurethane (gemahlen) sowie ein gemahlenes Polypropylen ausgewählt. Die Werkstoffauswahl erfolgte vor dem Hintergrund, ein möglichst breites Spektrum gut und weniger gut fließfähiger Pulver zu erfassen. Für die Parameterauswahl (Temperaturen und Schichtstärken) wurden DSC- und Partikelanalysen herangezogen. Erste Untersuchungen konzentrierten sich auf die reproduzierbare Schichterstellung mittels eines bekannten Substratwerkstoffes auf PA 12 Basis, der zur Absorptionserhöhung grau eingefärbt wurde.

77 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 einen zusammenfassenden Überblick der erzielten Ergebnisse zu den durchgeführten Untersuchungen. 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 beschichtet 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 weiterführende Untersuchungen an Fraunhofer Umsicht.

78 Volumen [ml] Volumen [ml] Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, nur mit schriftlicher Genehmigung der rpm GmbH (ISO 16016:2002) Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / rpm rapid product manufacturing GmbH Arbeiten Materialteststand Sintermask II 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 rapid product manufacturing GmbH 1 bis Teile. Bild 96: Ergebnisse Pulververarbeitung mit dem Materialteststand Messwerte Stampfvolumeter Anzahl Hübe Vestamid E55S3 TPU Mehl Typ U U Orgasol Silibeads Duraform PE Grün Mehl Mehl Vestamid E55 Vestamid E55 PA7115U PA7115U Anzahl Hübe Bild 97: Stampfvolumen der untersuchten Pulver Bild 98: Interpolation des Verlaufs des Stampfvolumens 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 Eigenschaften charakterisiert. Ein einfaches Mittel, die Fließfähigkeit von Pulvern zu beschreiben, ist die Hausnerzahl, das Verhältnis von Stampfdichte zu Schüttdichte. H St Sch

79 Belichtungszeit [s] Belichtungszeit [s] Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Ideal fließfähige Pulver weisen eine Hausnerzahl von 1 auf; bei Hausnerzahlen > 1,4 ist die Fließfähigkeit 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 Pulver nicht nur im erreichten Endwert sondern auch in der Geschwindigkeit deutlich unterscheiden: Mehl erreicht den Endwert bereits nach ca. 200 Hüben, TPU dahingegen denselben Wert erst nach ca Dies sollte mit in die Bewertung der Pulver eingeschlossen werden. Deshalb wurde versucht, die Kurven durch Exponentialfunktionen anzunähern und Zeitkonstanten zu bestimmen. Die Kurven ließen sich jedoch häufig nur mit zwei Geschwindigkeitskonstanten T, ) hinreichend genau beschreiben (Bild 98). ( T 1 2 a bexp( t / T1 ) c exp( t / T2 ) Für die ausgesuchten Materialien wurden umfangreiche Parametervariationen durchgeführt. 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 verwendete Parameter geeignet größere Fläche geeignet kleinere Fläche 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 verw endete Parameter geeignet größere Fläche geeignet kleinere Fläche 1,00 0, Shuttletemperatur [ C] 1,00 0, Bauraumtemperatur [ C] Bild 99: Variationen der Maschinenparameter (Shuttletemperatur, Belichtungszeit, Bauraumtemperatur) für TPU Bild 100: Schiefer Quader Bild 101: Bauteil mit unförmiger 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 Auswirkungen 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).

80 Belichtungszeit [s] Belichtungszeit [s] Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Die Unregelmäßigkeiten sprachen für eine zu hohe Energiezufuhr. Eine weitere Erhöhung der Belichtungsdauer führte zu einer Lochbildung (Bild 102). Bild 103 zeigt einige gelungene Bauteile 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 verwendete Parameter geeignet große Fläche geeignet kleine Fläche verwendete Parameter geeignet große Fläche geeignet kleine Fläche Shuttletemperatur [ C] Bauraumtemperatur [ C] 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 zeigen einige Beispiele der Versuche. Bei zu großer Belichtungsdauer fließen die Konturen zusammen. Nach dem Sintern wird die Bauplattform wieder angehoben. Hierbei fällt der Pulverkuchen nicht in sich zusammen. Dies zeigt die Verklebungsneigung 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.

81 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 105: Drei verschmolzene Rechteckflächen, geringe Schichtversetzung Bild 106: Umliegendes, komprimiertes Material, das während des Bauprozesses als Stütze dient Bild 107: Reproduzierbarkeit der Versetzungen 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 größere Stützfläche und das Kippen des Bauteils wäre deutlich erschwert. Die erzeugten Prüfstabrohlinge sind größtenteils miteinander verschmolzen. Eine weitere Reduzierung der Belichtungsdauer 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 niedrige Vorheiztemperatur zurückführen. Daher ist in allen weiteren Versuchen das Shuttle vor Beginn 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 Schichten 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.

82 Belichtungszeit [s] Belichtungszeit [s] Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / verwendete Parameter bestgeeigneter Parameter Shuttletemperatur [ C] verwendete Parameter bestgeeigneter Parameter Bauraumtemperatur [ C] Bild 108: Variationen der Maschinenparameter (Shuttletemperatur, Belichtungszeit, Bauraumtemperatur) für Orgasol Bild 109: geschmolzenes Orgasol von Schwertoberseite (Mitte Glassplitter erkennbar) Bild.110: Wellung und Schichtversetzung Bild. 111: geschmolzene Schicht verkeilte sich im Powder-Shuttle Bild 112: Sichelförmiges, homogen durchschmolzenes Bauteil Bild 113: Lochbildung bei höherer Schichtanzahl 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 Bauprozesses 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 Flächenmitte noch wärmer als am Rand, daher sind bisher kaum Kristalle entstanden.

83 Belichtungszeit [s] Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Versuchsreihe Rußanteil/Belichtungszeit mit Vestamid E55S homogen durchgeschmolzener Prüfkörperrohling ,1 0,2 0,4 0,8 Rußanteil [%] 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 Einstellungsparametern nicht gelungen, ein ähnliches Resultat zu erzielen. Es war daher nicht möglich, ein homogen 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 Rußkomponente 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 untersucht. Es zeigte sich, dass die Temperatur noch nicht homogen genug ist, um einen Schichtbauprozess durchzuführen (Bild 116). (In dem Versuchsstand ist dies durch die Beschränkung auf eine 10 x 10 cm 2 große Fläche noch nicht so gravierend.) Mittlerweile hat Sintermask die Temperierung 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 Rührwerk im Pulverbehälter modifiziert, sodass ein zuverlässiger Pulvertransport gewährleistet ist. (Bild )

84 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Modifizierung Bei der Belichtung der Geometrien mit der Sintermask-Maschine zeigte sich eine nicht gute Abbildegenauigkeit: 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 Bauprozess bei dem hohen Energieeintrag des Maskensinterns zu erkennen (vergl. Bild 105).

85 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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) 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 Lasersintermaterialien 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 Materialentwicklung) dargestellt Werkstofftests (AP ) 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 angefertigt und im Lichtmikroskop untersucht. (Bild 123). Bei richtig verarbeiteten Proben sind allerdings 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 Material 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 mangelnde Haftung der Fasern an der Matrix. Viskosität Beim Lasersintern muss das Polymer drucklos, nur durch Schwerkraft, zu einem glatten Schmelzefilm verlaufen. Hierfür wurde die Nullscherviskosität gemessen, d. h. die Viskosität bei verschwindender Schergeschwindigkeit, die in der Regel wesentlich höher ist, als übliche gemessene Viskositäten. (Bild 126)

86 Viskosität [Pas] Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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. Vestosint 2157 PA12 Duraform PA12 Orgasol ,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 Scherrate [1/s] Bild 126: Messung der Nullscherviskosität Zugversuche Es werden Norm Prüfkörper gesintert und in einem quasistatischen Zugversuch getestet. Je Materialprobe müssen 5 Proben zur statistischen Absicherung untersucht werden. (Bild 127)

87 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 127: Spannungs-Dehnungsdiagramm von Vestamid V62 Zugproben. Je Probe sind 5 Versuche durchgeführt worden Dynamische Werkstoffprüfung (AP 6.9 Fraunhofer IWM) Dynamische Werkstoffprüfungen wurden nicht durchgeführt. Stattdessen wurden die Klebeverbindungen getestet, die durch den segmentweisen Aufbau des Stuhls notwendig geworden, aber nicht im Antrag vorgesehen waren. 1.7 AP 7 Weiterentwicklung Maschinentechnik (Sintermask) 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 reproduzierbar 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 Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R.: Acoustic control of powder dispensing in open tubes. In: Powder Technology 139 (2004), S ] Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R.: Device for Preparing Combinatorial Libraries in Powder Metallurgy. In: Journal of Combinatorial Chemistry 6 (2004), S 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 Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R.: Short communication - A dry powder jet printer for dispensing and combinatorial research. In: Powder Technology 142 (2004), S Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R. G.: Acoustic initiationof powder flow in capillaries. In: Chemical Engineering Science 60 (2005), S Yang, Shoufeng ; Evans, Julian R.: Preparing 3D Functional Gradients for SLS. In: Materials Science Forum (2005), S

88 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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.-%) PA12 Duraform + Celpure (1 Vol.-%) - 11 PA12 Duraform + Eisenoxid (Fe3O4) 0,4 Vol.-% PA12 Duraform + Siliciumcarbid (SiC) ( 1 Vol.-%) PA12 Duraform + Titandioxid (TiO2) (0,4 Vol.-%) PA12 Duraform + EPDM grün(30vol.-%) PA12 Duraform + EPDM schwarz (30 Vol.-%) 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 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 Glaspipetten 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 verschiedene Materialien. Gut fließende Materialien lassen sich mit dem Dosierer sehr gut reproduzierbar dosieren; schlecht fließende Materialien liefern unregelmäßige Pulvermengen. Hier müssen 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

89 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 worden. 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 durchgeführt. 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 Schieber, am Boden des Behälters durch das Sieb gepresst. (Bild 131) Der Antrieb der Schieber erfolgt pneumatisch, da bei den Temperaturen im Bauraum ( 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.

90 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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 Hälfte 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 gefertigte 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)

91 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / 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)

92 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 137: Prinzip des Laserdruckens (Kumar) Bild 138: Gedrucktes Bauteil (Kumar) Mehrkomponenten-Dosierung mit Drucktechnik (AP 7.4, 7.5) Der Toner in handelsüblichen Laserdruckern oder Fotokopierern besteht aus feinsten Polymerpartikeln. 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 anzuwenden 41,42,43,44. (Bild 137, 138) Allerdings sind bisher keine kommerziellen Maschinen 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 Pulverbett abgelegt werden Im Laserdrucker wird das Papier aufgeladen, um die Partikel vor dem eigentlichen Fixieren festzuhalten. Dies ist bei einem Pulverbett von einigen Zentimetern Dicke schwer machbar. Einige Vorversuche zum elektrostatischen Pulverablegen wurden durchgeführt. Es wird untersucht, 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 Pulverablage 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 Schutzrecht US Patent No.: ( Mai 2000). Kumar, Ashok V. (Erfinder). Solid Freeform Fabrication 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 Schutzrecht US Patent No.: ( September 1996). Rock, Stephen J. ; Gilman, Charles R. (Erfinder). Method of Producing Solid Parts Using Two Distinct Classes of Materials

93 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 139: Versuchsaufbau elektrostatisches Beschichten. Bild 140: Ergebnisse der elektrostatischen Pulverablage Bild 141: Veränderung der Materialeigenschaften durch Variation der Laserleistung 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)

94 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Bild 142: Ausrichtung der Magnetit- Partikel innerhalb einer Epoxid-Matrix Bild 143: Ausrichtung und Desagglomeration (CNT) im elektrischen Feld von Partikeln 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) Lieferung Materialprüfstand (AP 7.10) Entsprechend Arbeitspunkt 7.10 "Erstellung Versuchsapparatur Sintermask" wurde ein Prüfstand erstellt. Dieser ist eine vereinfachte Maskensintermaschine mit vollständigem Beschichtungssystem und fester Maske. Alle Prozessparameter, die für die Beschichtung und Maskenbestrahlung unterschiedlicher Materialien relevant sind, können durch eine spezielle Software beliebig gewählt werden. Somit stehen alle für die Materialentwicklungen notwendigen Freiheitsgrade 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 verkleinert. Baukammer mit fest eingebautem Baubehälter, Höhe 400 mm später auf 200 mm verkleinert, 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.

95 Schlussbericht Bionic Manufacturing 01RB0906 A,B,C,E,F 06/ / Tabelle 13: Vergleich der mechanischen Eigenschaften von mit SMS und mit SLS hergestellten Zugprobekörpern. SMS SLS Max. Spannung / MPa 48,9 50,3 52, ,1 40,9 Bruchdehnung 25,20% 30,50% 21,80% 8,60% 1,90% 3,80% E-Modul / MPa 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 Versuches 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, transmittierender 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).