INVENTOR MAGAZIN:
Was am Rechner gut aussieht, muss nicht unbedingt genauso aus dem 3D-Drucker kommen. Das kann viele Ursachen haben. Aber einige lassen sich durch Simulation bereits im Vorfeld ausschließen.
Was am Rechner gut aussieht, muss nicht unbedingt genauso aus dem 3D-Drucker kommen. Das kann viele Ursachen haben. Aber einige lassen sich durch Simulation bereits im Vorfeld ausschließen.
Additive Manufacturing ( AM) oder Additive Fertigung entwickelt sich zu einem vollwertigen industriellen Herstellungsprozess. Sie wird langsam, aber sicher alltäglich und stellt eine effiziente Alternative zu bisher üblichen Herstellungsprozessen dar. AM birgt ungeahnte Chancen. Was zuvor als Science-Fiction abgetan wurde, ist plötzlich im Bereich des Möglichen. Der Prozess erlaubt die Produktion von organischen Formen, die zuvor nicht hergestellt werden konnten. Zudem macht er den Einsatz komplett neuer Materialien mit vorher noch nie dagewesenen Eigenschaften möglich. Eines der größten Versprechen der additiven Fertigung, ist die On-DemandProduktion komplexer Komponenten an den entlegensten Winkeln der Welt und des Universums, mithilfe einer transportierbaren Maschine und etwas Metallpulver. Die additive Fertigung hat darüber hinaus das Potential, in Zukunft selbst noch wesentlich material- und kosteneffizienter zu werden.
Aber bevor wir 3D-Drucker ins Weltall senden können, um dabei zu helfen, eine Infrastruktur für die Kolonisierung des Mars zu bauen, müssen erst einige Probleme des Herstellungsverfahrens adressiert werden. Zum Beispiel kann etwas, das auf dem Computer gut aussieht, während des 3D-Drucks verformt oder beschädigt werden. Speziell dann, wenn kühles Metall im Pulverbett vom Laser plötzlich erhitzt wird und dann wieder relativ schnell abkühlt, bevor es durch eine frische Pulverschicht hindurch erneut erhitzt wird. Dies kann dazu führen, dass sich Teile aufgrund von thermischen Spannungen verformen, sich die Bauplatte abhebt oder die Konstruktion im Innern des teuren Druckers explodiert.
Zudem kann das Produkt zu viel Porosität oder falsche Materialeigenschaften aufweisen, so dass es in der Praxis nicht funktioniert. Dies führt zu Verzögerungen und Mehrkosten im Entwicklungsprozess und zu Materialverschwendung. Um sicherzustellen, dass ein brauchbarer Druck entsteht, sind DfAM und Simulation die Lösung.
Was ist DfAM?
Design für die additive Fertigung (DfAM) entkoppelt die Konstruktion durch Topologie-Optimierung und Werkzeuge zur Design-Exploration von den Sphären und Blöcken traditioneller CAD-Anwendungen. Zusammen mit den Möglichkeiten von AM sind der Kreativität dann keine Grenzen mehr gesetzt. So können beispielsweise biomimetische Elemente, wie die sich biegenden Äste eines Baumes oder die spannungsverteilenden Venen in Schmetterlingsflügeln nachgebildet werden. Dank additiver Fertigung finden sich diese Formen jetzt auch in Wärme
tauschern in der Luft- und Raumfahrtindustrie, in Halterungen für die Automobilbranche oder in Kniescheibenprothesen wieder.
Doch diese Vielzahl an neuen Möglichkeiten verleitet dazu, die Komplexität des Herstellungsprozesses zu vergessen. Viele Konstrukteure erkennen daher nicht, dass diese Komplexität sie dazu zwingt, ihre wunderbaren neuen Designs, mit organischen Kanälen und komplizierten Verzweigungen, mehrmals neu zu gestalten. Denn die Konstruktionen werden eventuell nach dem Druck nicht den Spezifikationen entsprechen oder sogar während der Herstellung zerstört.
Simulation für die additive Fertigung
Hier kommt jetzt Simulation ins Spiel. Mit Simulation behält der Konstrukteur die Kontrolle über sein Design und stellt sicher, dass es auch während des Druckprozesses formstabil bleibt. Denn er kann den Fertigungsprozess virtuell simulieren und sich vor der tatsächlichen Fertigung absichern, dass die Konstruktion exakt so gedruckt wird, wie vorgesehen.
Jeder Ingenieur arbeitet anders und wünscht sich Werkzeuge, die nahtlos in seinen Arbeitsablauf integrierbar sind. Ansys, ein Hersteller von CAx- und Simulationslösungen, bietet eine Vielzahl an Lösungen für die additive Fertigung die jeweils unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Zum Beispiel ist Additive Print eine Stand-alone-Lösung, die speziell für DfAM-Designer und Anwender von 3D-Druckern entwickelt wurde. Dabei ist das Schicht-für-Schicht-MetallpulverbettSimulations-Tool elementar, um Fehldrucke und Trial and Error zu eliminieren und kein unnötiges Metall mehr zu verschwenden.
Additive Print bietet hochentwickelte Solver, ein leicht bedienbares User-Interface und ist einfach in Arbeitsabläufe zu integrieren. Zudem ist es möglich, CADund STL-Dateien zu importieren und die Simulation des 3D-Drucks schneller ablaufen zu lassen. Durch die Visualisierung der Fertigung in der Simulation können Ingenieure auch sehen, welchen Effekt der Druckprozess auf die Konstruktion hätte, um dann Stützstrukturen oder die gesamte Konstruktion entsprechend anzupassen. Genau wie Additive Print, simuliert auch Ansys Workbench Additive den Druckprozess mit Metallpulver, jedoch innerhalb der bekannten Workbench-Umgebung.
Es hilft Anwendern dabei, fehlerhafte Konstruktionen zu vermeiden und Deformationen und thermischen Spannungen, die beim Druck auftreten, zu visualisieren. Im Gegensatz zu Additive Print wurde Workbench Additive für EngineeringBerechnungsspezialisten entwickelt, damit sie während des gesamten Simulationsprozesses in Ansys Workbench bleiben können.
Ein Anwendungsbeispiel
Ein Luft- und Raumfahrtingenieur importiert eine komplexe CAD-Geometrie mit tausenden von Teilen in Workbench. Dann säubert er die Geometrie mit Ansys SpaceClaim und erstellt eine komplette Analyse-Datei für jeweils nur einen Teil der gesamten Baugruppe. Jetzt kann er eine vollständige Simulation der flüchtigen Übergangswärme durchführen – alles in Workbench. Ergänzend kann er auch eine CFD-Analyse machen, um zu sehen, wie Geometrieveränderungen zum Beispiel den Druckabfall beeinflussen. Oder er führt eine Topologie- und Gitteroptimierungsanalyse durch, um dann erneut eine der Struktur, CFDoder Modalanalysen auszuführen. Auch hierfür muss er Ansys Workbench nicht verlassen. Ist sich der Ingenieur jetzt sicher, dass die Konstruktion die benötigte Leistung erbringen wird, kann er Workbench Additive nutzen, um festzustellen, wie die Konstruktion sich beim Drucken verhält.
Gibt es durch die thermischen Veränderungen Spannungen? Deformiert sich die Konstruktion beim Drucken? Müssen die Stützstrukturen angepasst oder muss sogar das gesamte Design erneut entwickelt und analysiert werden? Neben der Drucksimulation kann auch noch die Bearbeitung nach dem Druck, wie das Entfernen der Konstruktion von der Bodenplatte oder eine Hitzebehandlung, simuliert werden – alles in Ansys Mechanical.
Ansys Workbench ermöglicht es außerdem eine Analyse der Materialermüdung durchzuführen, um zu sehen, wie die Konstruktion, egal ob traditionell oder additiv gefertigt, im Einsatz verschleißt. Fallen Besonderheiten auf, können direkt in der Software eine Vielzahl an Optimierungen durchgeführt werden.
Design-Ideen für die Zukunft
Additive Fertigung eröffnet ganz neue Möglichkeiten für Konstrukteure und Berechnungsingenieure. Viele spannende Design-Ideen werden in den kommenden Jahren verwirklicht werden können. Simulation wird sicherstellen, dass diese Ideen den Herausforderungen des additiven Fertigungsprozesses gewachsen sind und auch wirklich zum Einsatz kommen. ( anm) ■