Vollständig 3D-gedruckter Bootsrumpf

Über unseren Bootsrumpf

Kurzbeschreibung

Im Rahmen der Forschung im Bereich großformatiger additiver Fertigung wurde am FLAB-3D print erstmals ein vollständig 3D-gedruckter Bootsrumpf als Demonstrator hergestellt. Der Rumpf zeigt, wie komplexe, geschlossene Hohlkörper ohne konventionelle Stützstrukturen robust und wasserdicht gefertigt werden können. Zentral ist ein parametrischer Workflow für 45°-Extrusion, kontinuierliche Werkzeugpfade und die Anpassung an unterschiedliche LFAM-Systeme.
Der Demonstrator entstand im Kontext der kooperativen Promotion von Moritz Wesseler an der Universität der Bundeswehr München bei Prof. Josef Kiendl und der FH Münster / MSA | Muenster School of Architecture bei Prof. Ulrich Blum. Gefertigt wurde der Bootsrumpf auf einem CEAD Group Flexbot-System im Rahmen des dtec.bw-Projekts am Institute of Lightweight Engineering der UniBw, unterstützt durch Laboringenieur Tobias Herrlein. Die Überprüfung der Wasserdichtigkeit erfolgte im Labor für Hydromechanik und Wasserbau mit Unterstützung von Dr. Ivo Baselt.

Ein Video zum Prozess sehen Sie hier: 

 

 

Motivation und Problemstellung

Großformatige additive Fertigung eröffnet neue Möglichkeiten für Bauteile, die im klassischen Formenbau oder in der manuellen Laminatfertigung aufwendig herzustellen sind. Gerade Bootsrümpfe, Fassadenbauteile, Schalungen und dünnwandige Hohlkörper besitzen komplexe Geometrien, große Abmessungen und hohe Anforderungen an Dichtigkeit, Stabilität und Oberflächenqualität.
Der Demonstrator adressiert die Frage, ob ein geschlossener Bootsrumpf im LFAM-Prozess vollständig additiv hergestellt werden kann, ohne innere Stützstrukturen einzusetzen und ohne die Geometrie nachträglich aufwendig zu fügen. Die technische Herausforderung liegt dabei nicht nur in der Geometrie, sondern vor allem in der Prozesskette: Konstruktion, Slicing, Werkzeugpfadplanung, Materialfluss, Kühlung, Startstrategie und Dichtigkeit müssen zusammen funktionieren.
Für die additive Fertigung zeigt der Demonstrator exemplarisch, wie 45°-Extrusion, kontinuierliche Pfadführung und konstruktiv erzeugte Brückenflächen zu einer robusten Fertigungsstrategie für große, geschlossene Hohlkörper kombiniert werden können. Darüber hinaus ist das Prinzip auch für dual-use-Anwendungen relevant, etwa für temporäre Schwimmkörper, leichte Schutzelemente, formgebende Schalungen, maritime Strukturbauteile oder schnell herstellbare Funktionsdemonstratoren.

 

Demonstrator im Überblick

Der Demonstrator ist ein kleiner, funktionsfähiger Bootsrumpf, der auf dem Kopf liegend und mit dem Bug zuerst gedruckt wurde. Die Geometrie besteht aus einer äußeren Hülle, einer inneren Stehfläche sowie gezielt konstruierten Verbindungselementen und Infill-Strukturen. Ziel war ein möglichst durchgehender Druckprozess mit wenigen Unterbrechungen und ohne konventionelles Supportmaterial im Innenraum.

Gezeigte Technologien

  • Large-Format Additive Manufacturing (LFAM) mit Pellet-Extruder
  • CEAD Flexbot mit 45° geneigtem Extrusionskopf
  • Parametrische Modellierung und Fertigungsvorbereitung in Rhino/Grasshopper
  • 45°-Slicing und Robotersimulation in Adaxis
  • Kontinuierliche Werkzeugpfadführung ohne Retracts im Hauptrumpf
  • Konstruktiv erzeugte Brückenflächen zur Verbindung mehrerer Volumenbereiche
  • Nachträgliche Dichtigkeitsprüfung im Wasserbecken


Einordnung in die Prozesskette

Der Demonstrator adressiert insbesondere die Schnittstelle zwischen parametrischer Konstruktion, Slicing-Logik und robotergestützter Fertigung. Im Fokus steht nicht nur der Druck eines Einzelbauteils, sondern ein durchgängiger Workflow, mit dem komplexe Hohlkörper automatisch an Druckparameter, Werkzeugpfadregeln und unterschiedliche LFAM-Systeme angepasst werden können.

 

Methodik und Umsetzung

1. Konstruktion und Design

Die Bootskonstruktion wurde parametrisch in Rhino/Grasshopper vorbereitet. Für den 45°-Druck musste die Geometrie so entwickelt werden, dass die Außenhülle, die innere Stehfläche und die Verbindungselemente in kontinuierlichen Bahnen hergestellt werden können. Die Außen- und Innenvolumina wurden über schmale, im Slicing-Winkel angeordnete Brückenflächen verbunden. Diese Brücken ermöglichen den Übergang zwischen Teilbereichen, ohne den Materialfluss zu unterbrechen.
Ein zentrales Gestaltungskriterium war die Vermeidung von Sackgassen, scharfen Endpunkten und abrupten Richtungswechseln. Eine kontinuierliche Pfadführung reduziert Ansatzstellen, verbessert die Oberflächenqualität und ist für die Wasserdichtigkeit des Bauteils entscheidend. Zusätzlich wurden manuell konstruierte Infill- und Stützstrukturen integriert, um den Bodenbereich zu stabilisieren und Wärmeakkumulation in kritischen Zonen zu reduzieren.

 

2. Fertigungsvorbereitung und Simulation

Der Druckpfad wurde in Adaxis für den 45°-Druck vorbereitet und mit dem digitalen Zwilling des CEAD Flexbot simuliert. Dabei wurden Layer-Höhen, Start- und Endpositionen sowie zusätzliche Purge- und Anfahrstrategien kontrolliert. Für den Demonstrator wurden ca. 1200 Schichten mit einer Pfadlänge von etwa 2.776 m berechnet. Die extrudierte Materialmenge betrug etwa 0,12 m³, entsprechend rund 140 kg Material.
Um eine sichere Anfangsphase des Drucks zu gewährleisten, wurde zunächst ein Raft gedruckt. Anschließend wurde dessen tatsächliche Höhe gemessen und der Startpunkt des Bootes angepasst. Der eigentliche Bootsrumpf begann auf einem 45° geneigten Startfeature, das eine ausreichend lange Startstrecke und stabile Haftung ermöglichte.

 

3. Fertigung

Gedruckt wurde auf einem CEAD Flexbot mit Pellet-Extruder und glasfaserverstärktem PETG. Der Druck erfolgte über drei Tage mit einer reinen Extrusionszeit von rund 20 Stunden. Die geplante Bahnbreite betrug 14 mm bei einem 9-mm-Extruderkopf. Die geplante Schichthöhe lag bei 3,5 mm, realisiert wurden im Prozess etwa 2,4 mm. Die Layer-Time wurde auf mindestens 60 Sekunden ausgelegt, um ausreichende Abkühlzeiten zu ermöglichen.
Während des Drucks kam es nach mehreren Stunden zu einem Stau im Pelletzuführungssystem. Durch manuelles Eingreifen und eine temporär erhöhte Extrusionsrate konnte der Druck fortgesetzt werden. Sichtbare Verdickungen in einzelnen Wandbereichen blieben ohne erkennbare Auswirkung auf die strukturelle Integrität und die Dichtigkeit des Bootes. Kritisch waren außerdem Bereiche mit Wärmestau, insbesondere an breiteren Infill-Strukturen; diese wurden mit externen Lüftern gekühlt.

 

4. Nachbearbeitung und Erprobung

Nach dem Druck wurde der Bootsrumpf aus dem Raft gelöst. An zwei lokalen Stellen wurden End- bzw. Stoßbereiche mit 3M DP490 abgedichtet. Diese Klebestellen hatten keine primäre mechanische Funktion, sondern dienten der Verbesserung der Wasserdichtigkeit an geometrisch kritischen Übergängen. Anschließend wurde der Rumpf im Labor für Hydromechanik und Wasserbau in einem Versuchsbecken getestet.

 

Prozessparameter und Kennzahlen

Parameter Wert / Information
System CEAD Flexbot, robotergestütztes LFAM-System
Slicer / Simulation Adaxis mit 45°-Slicing
CAD / Konstruktion Rhino / Grasshopper
Extruder 9 mm Pellet-Extruder
Geplante Bahnbreite 14 mm
Geplante Schichthöhe 3,5 mm; im Prozess ca. 2,4 mm realisiert
Material glasfaserverstärktes PETG, grau
Extruderwinkel 45° geneigt
Layer-Time mindestens 60 s pro Schicht
Anzahl Schichten 1200
Berechnete Pfadlänge ca. 2.776 m
Materialmenge ca. 0,12 m³ / ca. 140 kg
Druckdauer ca. 20 h reine Extrusionszeit über drei Tage
Startstrategie Raft + 45° geneigtes Startfeature
Nachbearbeitung lokales Abdichten mit 3M DP490

 

Ergebnisse und Erkenntnisse

Der Wassertest zeigte, dass der vollständig additiv gefertigte Rumpf grundsätzlich wasserdicht und funktionstüchtig war. Auch bei seitlichem Neigen drang kein Wasser in den Innenraum ein. Die Stabilität reichte für langsame Fahrten und eine Demonstration im Wasserbecken aus.
Als besonders relevant erwiesen sich die kontinuierliche Pfadführung und die konstruktiv erzeugten Brückenflächen. Ansatzstellen und Unterbrechungen im Materialfluss erhöhen das Risiko von Lücken und Undichtigkeiten. Die Kombination aus 45°-Winkel, glatter Außenhülle und durchgehendem Werkzeugpfad war daher ein entscheidender Faktor für die Dichtigkeit.
Gleichzeitig zeigte der Prozess Verbesserungspotenzial: Die Pelletzufuhr muss für lange Druckjobs überwacht und idealerweise automatisch entstört werden. Aktive, gerichtete Kühlung sollte in den Prozess integriert werden, um Wärmestau und lokale Verformungen zu reduzieren. Außerdem sollte die Generierung von Brückenflächen und Infill-Strukturen zukünftig stärker automatisiert werden, da sie derzeit einen hohen manuellen Konstruktionsaufwand verursacht.

 

Technologische Einordnung

Der Demonstrator ist als funktionsfähiger Forschungs- und Prozessdemonstrator einzuordnen. Er zeigt nicht nur ein gedrucktes Objekt, sondern eine vollständige Prozesskette von der parametrischen Konstruktion über die robotergestützte Pfadplanung bis zur realen Funktionsprüfung im Wasser.

Stärken

  • Herstellung eines großen, geschlossenen Hohlkörpers ohne konventionelle Stützstrukturen
  • Hohe geometrische Freiheit durch 45°-Extrusion
  • Kontinuierliche Pfadführung als Grundlage für Dichtigkeit und Oberflächenqualität
  • Übertragbarkeit auf andere dünnwandige Hohlkörper und architektonische Bauteile


Limitationen

  • Hoher manueller Aufwand bei der Konstruktion von Brückenflächen und Infill-Strukturen
  • Empfindlichkeit gegenüber Materialflussstörungen bei langen Druckprozessen
  • Wärmemanagement noch nicht vollständig automatisiert
  • Fahrstabilität des Bootes noch optimierbar, insbesondere Schwerpunktlage, Heckgeometrie und Kielfinne


Skalierbarkeit

Das Verfahren ist grundsätzlich skalierbar, sofern Arbeitsraum, Materialfluss, Kühlung und Pfadplanung kontrolliert werden. Besonders vielversprechend ist die Übertragung auf großformatige Architekturbauteile, Schalungen, Fassadenprototypen, temporäre Strukturen und maritime Funktionsbauteile.

 

Anwendungsfälle und Transferpotenzial

Der Bootsrumpf ist als Demonstrator bewusst einfach und anschaulich gewählt: Dichtigkeit, Bauteilgröße, Hohlkörpergeometrie und Funktionalität lassen sich unmittelbar überprüfen. Die zugrunde liegenden Prinzipien sind jedoch auf viele andere Anwendungen übertragbar.

  • Maritime Anwendungen: kleine Bootsrümpfe, Schwimmkörper, Gehäuse und Reparatur- oder Ersatzstrukturen
  • Architektur und Bauwesen: Schalungen, Fassadenelemente, großformatige Hohlkörper und Leichtbaupaneele
  • Bundeswehr / dual use: schnell herstellbare Funktionsdemonstratoren, temporäre Bauteile, robuste Spezialgeometrien und mobile Fertigungsszenarien
  • Forschung und Lehre: anschaulicher Demonstrator für digitale Prozessketten, Robotik, Slicing und LFAM

 

Weiterführende Informationen

Ansprechpartner / Projektbeteiligte:

Projektkontext und beteiligte Einrichtungen: