Motivation

Das Lasergenerieren ist ein Produktionsverfahren, von dem erwartet werden kann, dass es in Zukunft große Bedeutung für die Erstellung von Produkten und Werkzeugen mit komplexen Geometrien erlangen wird. Neben den Vorteilen der schnellen und flexiblen Herstellung können mit dem Lasergenerieren zusätzliche Funktionalitäten und Eigenschaften, z.B. Leichtbaustrukturen, realisiert werden, die dem Verfahren weitere Anwendungsgebiete erschließen.

Vorgehensweise

Um die zusätzlichen Möglichkeiten des Lasergenerierens zu nutzen, ist es notwendig, neue Herangehensweisen in der Konstruktion einzusetzen. Hierbei sind vor allem die Konstruk-tions- und Optimierungstechnologien Topologieoptimierung und der ¿constructal theory¿ für den Einsatz in der Medizintechnik und im Werkzeugbau interessant. In der Medizintechnik bietet das Lasergenerieren die Möglichkeit, Implantate mit neuartigen Strukturen zu fertigen, die sich an biologischen Vorbildern orientieren. Mit der Topologieoptimierung ist es hierbei möglich, bei gegebenen Belastungen und Bauteilabmaßen für die Festigkeit nicht notwendige Volumenelemente zu identifizieren und bei dem Produktionsprozess auszusparen. Hierdurch können z.B. gitterartige oder poröse Strukturen erstellt werden, die bedeutende Vorteile wie eine Senkung der Produktionszeiten, ein geringes Gewicht und eine erhöhte Biokompatibilität bieten können.Im Werkzeug- und Formenbau kann die "constructal theory" angewendet werden, um effiziente Kühlstrukturen für Kunststoffspritzgussformen zu konstruieren, die geringe Zykluszeiten beim Einsatz der Form ermöglichen. Bei diesen oberflächennahen Kühl-systemen wird durch die "constructal theory¿ die Temperierung im Werk- zeug optimiert, indem das Kühlsystem so ausgelegt wird, dass dessen interner Wärmefluss auf die Wärmeleitung im Werkzeug abgestimmt ist. Durch ein Gleichgewicht der beiden Größen lassen sich Wärmestauungen vermeiden. Für die Produktion solcher komplexen Werkzeuge bietet sich das Lasergenerieren mit seinen neuartigen geometrischen Freiheitsgraden an, da eine Umsetzung mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich ist.

Ergebnisse

Als erste Anwendung in der Medizintechnik werden Implantatstrukturen mittels der Topologieoptimierung so verbessert, dass die lasergenerierten Implantate in ihren Eigenschaften dem menschlichen Vorbild entsprechen und gleichzeitig hoch belastbar sind.Im Werkzeug- und Formenbau konnte in Simulationen eine Verbesserung der Kühlleistung von lasergenerierten Spritzgussformen in Höhe von 72% erreicht werden, indem ein Kühl-system entwickelt wurde, welches einen optimalen Wärmeabfluss beim Spritzgießen ermöglicht.