3D-Teilefertigung: Kundenspezifischer Fensterrahmen aus 3D-Metalldruck

Veröffentlichungsdatum: 19.04.2026

Dieser Artikel beschreibt den gesamten Fertigungsprozess eines kundenspezifischen Fensterrahmens, der mittels additiver Fertigung (AM) aus Metall hergestellt wird. Der Artikel basiert auf einem realen Anwendungsfall aus der Luft- und Raumfahrt. Das Bauteil ist ein dreieckiger Strukturrahmen, der den Anforderungen der MIL-815-Norm entspricht und aus einer Titanlegierung (z. B. Ti-6Al-4V, auch bekannt als TC4 oder TA15) gefertigt wird. Ziel war es, hohe Steifigkeit, geringes Gewicht und präzise Maßgenauigkeit zu erreichen – Herausforderungen, die mit traditionellen Verfahren wie der Bearbeitung von Vollmaterial oder dem Schweißen von Blechbaugruppen nur schwer zu bewältigen sind.

1. Erster Entwurf und Herausforderungen

Das ursprüngliche CAD-Modell (das sogenannte „Rohmodell der Kühlplatte“) stellte die funktionale Geometrie dar: ein dreieckiges Außenprofil mit inneren Rippen, Montageflächen und Aussparungen für Fenster oder Sensoren. Dieses Design war jedoch nicht direkt druckbar. Zu den Hauptproblemen zählten:

• Überhängende Elemente ohne Stützstruktur würden beim Drucken durchhängen oder zusammenbrechen;
• Übergänge von dick nach dünn an der Basis verursachten hohe thermische Spannungen und bargen die Gefahr von Rissen;
• Interne Kanäle und dünne Wände neigten aufgrund von Restspannungen, die sich über viele Schichten angesammelt hatten, zu Verformungen;
• Es gibt keine Vorkehrungen für die Pulverentfernung oder den Zugang zur Nachbearbeitung.

2. Digitale Optimierung für die additive Fertigung

Um einen erfolgreichen Druck zu ermöglichen, wurde das Modell drei wichtigen digitalen Modifikationen unterzogen:

• Überschüssiges Material entfernen und Zugkraft anpassenNicht funktionelles Material wurde entfernt, insbesondere in der Nähe von Kanten und Verbindungsstellen. Abrundungen und sanfte Verjüngungen wurden hinzugefügt, um Spannungsspitzen zu reduzieren und die Oberflächenqualität nach dem Entfernen der Stützstrukturen zu verbessern.
• Interner Fluss und strukturelle VerstärkungDie Anordnung der inneren Rippen wurde zur Verbesserung der Lastverteilung neu konfiguriert. In Bereichen mit hoher Beanspruchung (z. B. an den Übergängen zwischen Fuß und Flansch) wurden gitterverstärkte Streben eingeführt – nicht um die Masse zu erhöhen, sondern um die lokale Steifigkeit zu verbessern und thermische Verformungen zu mindern.
• Integration der UnterstützungsstrukturAlgorithmisch generierte Stützstrukturen wurden bei Bedarf hinzugefügt – insbesondere unter Überhängen und dünnwandigen Abschnitten. Diese Stützen wurden so konstruiert, dass sie eine minimale Kontaktfläche aufweisen und sich leicht lösen lassen, wodurch der Nachbearbeitungsaufwand und Oberflächenbeschädigungen reduziert werden.

Zur Vorhersage der Verformung und zur Validierung der überarbeiteten Stütz- und Rippenstrategie wurde eine Simulation des Bauprozesses (thermomechanische Finite-Elemente-Analyse) durchgeführt. Die Simulation zeigte im Vergleich zum ursprünglichen Entwurf eine reduzierte maximale Auslenkung und eine gleichmäßigere Spannungsverteilung.

3. Druckverfahren und Materialauswahl

Das optimierte Modell wurde in Schichten zerlegt und an ein Laser-Pulverbett-Schmelzsystem (LPBF) gesendet. Zwei Versionen wurden parallel gedruckt:

• Eine Ausführung aus Edelstahl 316L (für kostensensible oder korrosionsbeständige Anwendungen);
• Eines davon besteht aus Ti-6Al-4V (für ein höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und bessere Leistung bei erhöhten Temperaturen).

Beide verwendeten Standardprozessparameter für ihre jeweiligen Materialien: Schichtdicke ~30–50 µm, Laserleistung und Scangeschwindigkeit kalibriert für volle Dichte (>99,5 % relative Dichte bestätigt durch Archimedes-Messung).

Die Druckzeit pro Bauteil betrug je nach Ausrichtung und Stützstruktur etwa 20–25 Stunden. Die Bauplatten wurden vorgeheizt, um Temperaturgradienten zu reduzieren, und es wurde durchgehend Inertgas (Argon) verwendet, um Oxidation zu verhindern.

4. Nachbearbeitung und Qualitätsprüfung

Nach dem Druckvorgang wurden die Teile folgenden Schritten unterzogen:

• Stützenentfernung (mechanisches Brechen und leichtes Schleifen);
• Sandstrahlen zur Oberflächenglättung und Oxidentfernung;
• Heißisostatisches Pressen (HIP), optional, wird hier aber angewendet, um Mikroporosität zu beseitigen und Restspannungen abzubauen;
• CNC-Bearbeitung kritischer Dichtflächen und Befestigungslöcher zur Sicherstellung der Maßgenauigkeit;
• Dimensionsprüfung mittels Koordinatenmessgerät (KMG); Gesamtabweichung innerhalb von ±0,1 mm über alle Hauptmerkmale;
• Zerstörungsfreie Prüfverfahren (Röntgen-Computertomographie und Ultraschallprüfung) bestätigten das Fehlen von Rissen, Bindefehlern oder inneren Hohlräumen;
• Funktionsprüfung: Überprüfung der Vakuumdichtigkeit und mechanische Belastungsprüfung (statisch und zyklisch) entsprachen den Spezifikationsgrenzen.

Es wurden zwei qualifizierte Teile geliefert – eines zur sofortigen Montage, eines als Ersatzteil –, die beide die Kundenanforderungen hinsichtlich Passform, Form und Funktion erfüllten.

5. Lehren und Vorteile des AM-Ansatzes

Dieser Fall verdeutlicht mehrere praktische Vorteile des 3D-Metalldrucks für kundenspezifische Strukturbauteile:

• Komplexe interne Geometrien (z. B. integrierte Versteifungen, Hohlkammern) können in einem einzigen Schritt realisiert werden, wodurch Montagearbeiten und damit verbundene Ausfallmechanismen entfallen.
• Die Designiterationen erfolgen schnell: Von der Problemidentifizierung bis zum korrigierten Druck verging weniger als eine Woche.
• Die Materialeffizienz ist hoch – der Nettoformdruck reduziert den Rohmaterialverbrauch im Vergleich zu subtraktiven Verfahren um mehr als 70 %.
• Die Fähigkeit zur Verarbeitung mehrerer Materialien ermöglicht eine schnelle Bewertung alternativer Legierungen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit (z. B. Gewicht vs. Korrosionsbeständigkeit).
• Die digitale Rückverfolgbarkeit gewährleistet, dass jede Änderung dokumentiert und reproduzierbar ist.

Es ist zu beachten, dass der Erfolg von einer engen Verzahnung von Konstruktions-, Simulations- und Prozesswissen abhängt – und nicht nur von der Leistungsfähigkeit der Ausrüstung.

Abschluss

Der hier beschriebene kundenspezifische Fensterrahmen ist kein experimenteller Prototyp, sondern ein serienreifes Bauteil, das mittels additiver Fertigung (AM) aus industrietauglichem Metall hergestellt wurde. Seine Entwicklung folgte einem strukturierten Workflow: Identifizierung von Einschränkungen im ursprünglichen Design, AM-optimierte Optimierung, Simulation und Verifizierung, Druck und Validierung. Dieses Vorgehen ist heute Standardpraxis für hochwertige Kleinserienteile in der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigungsindustrie und der Medizintechnik – wo Leistung, Zuverlässigkeit und Designfreiheit wichtiger sind als der Bedarf an extrem hohem Durchsatz.

Der 3D-Metalldruck ersetzt nicht die gesamte traditionelle Fertigung – aber für Bauteile wie diesen Fensterrahmen bietet er einen effizienteren, flexibleren und technisch ausgereifteren Weg vom Konzept bis zur zertifizierten Hardware.

Um Forgecise

Forgecise ist ein Innovator im Bereich der additiven Fertigungstechnologie und hat sich der Bereitstellung von Hochleistungsmaterialien, Anlagen und Prozesslösungen für den 3D-Metalldruck für die Formenherstellung, die Energiewirtschaft und andere Industriezweige verschrieben.