Neben der Energie- und Ressourceneffizienz bringt der 3D-Druck weitere Vorteile: Durch bionische Optimierung nach dem Vorbild der Natur können geometrisch komplexe Produkte in Leichtbauweise hergestellt werden. Entlang der gesamten Prozesskette spielt die Digitalisierung eine große Rolle, zudem lassen sich Designänderungen schnell und unkompliziert realisieren. Während beim Einsatz simulationsgestützter Optimierungsverfahren für Bauteile aus nicht faserverstärkten Werkstoffen üblicherweise sogenannte isotrope Materialmodelle verwendet werden, bei denen die Materialeigenschaften in allen Raumrichtungen im Wesentlichen gleich sind, lässt sich dieser Ansatz nur eingeschränkt auf die additive Fertigung übertragen. So bergen anisotrope – also inhomogene bzw. richtungsabhängige – Modelle erhebliches Potenzial zur Materialeinsparung, indem sie die Auslegung von Bauteilen nach realen Belastungsgrenzen ermöglichen. Auch die optimale Baurichtung kann so im Vorfeld festgelegt werden.
Allerdings ist der Einsatz von anisotropen Materialmodellen auch mit Herausforderungen verbunden. Unvollständige Materialdatensätze und aufwändige Modellierungsverfahren verdeutlichen den Bedarf an einer umfassenden Werkstoffcharakterisierung. Zusätzlich braucht es eine zweckmäßige Modellformulierung sowie geeignete Softwaretools und Lösungsalgorithmen. Gerade bei hybriden Bauteilen aus mehreren Materialien bestehen in der Erzeugung kraft-, form- und stoffschlüssiger Verbunde sowie bei der adäquaten Modellierung der Grenzschicht derzeit noch Schwierigkeiten.
Im Zuge des Projekts sollen daher die Kompetenzen zu generativen Fertigungsverfahren verschiedener ACR-Institute zusammengeführt werden. So sind neben dem ÖGI auch das Österreichische Institut für Chemie und Technik (OFI) und das Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz (ZFE) an den Forschungsarbeiten beteiligt. Ziel des Projekts ist es, Materialmodelle für strukturmechanische Analysen zu entwickeln und in die Strukturoptimierung im Sinn des Leichtbaus zu implementieren. Darüber hinaus sollen Simulations-Tools für die Analyse der mechanischen Belastbarkeit entwickelt und neue Erkenntnisse zu unterschiedlichen Verfahren sowie Bauteil-Eigenschaften gewonnen werden. Dieses Know-how könnte in Folge bei der Konzipierung von Komponenten für hybride Fertigungsverfahren Anwendung finden.
Per 3D-Druckverfahren werden im Projekt Proben zur Ermittlung fertigungsbedingter Materialeigenschaften hergestellt. Eigens entwickelte Berechnungsmodelle ermöglichen die Gegenüberstellung von isotropen und anisotropen Modellen. Die anschließende Herstellung von realitätsnahen Bauteilen in Leichtbauweise und der Abgleich mit Simulationsergebnissen gewährleisten ein hohes Maß an Anwendungsorientierung.
