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Additive Fertigung

Konstruktion für 3D-Druck

| Autor: Stefanie Michel

Wer über generatives Design neue, bionische Bauteile entwickelt, kommt bei der Fertigung meist an additiven Verfahren nicht vorbei. Der Workflow von der Konstruktion zum Druckprozess wird dabei immer durchgängiger.
Wer über generatives Design neue, bionische Bauteile entwickelt, kommt bei der Fertigung meist an additiven Verfahren nicht vorbei. Der Workflow von der Konstruktion zum Druckprozess wird dabei immer durchgängiger. (Bild: Autodesk)

Additive Verfahren werden zunehmend für die Herstellung von Endprodukten eingesetzt. Im Vergleich zu anderen Fertigungstechniken ist die Prozesskette von der Konstruktion hin zur Produktionsvorbereitung allerdings weniger durchgängig. Doch CAD-Softwareanbieter und 3D-Drucker-Hersteller rücken zusammen.

Die Werkzeugmaschine ist heute ein selbstverständlicher Bestandteil der Produktion. Für die dort bearbeiteten Komponenten werden in der CAM-Software Verfahren festgelegt und Bearbeitungsstrategien berechnet, um daraus das maschinenlesbare NC-Programm zu generieren. Hierfür stehen seit Jahren ausgereifte Softwarepakete oder auch komplett durchgängige CAD/CAM-Prozessketten zur Verfügung – für additiv gefertigte Bauteile nicht. Soll der 3D-Druck beziehungsweise die Additive Fertigung jedoch aus der Nische der Prototypenerstellung heraus zu einem regulären Fertigungsverfahren „wachsen“, dann müssen solche Systeme vorhanden sein, die das Verfahren letztendlich zu einem selbstverständlichen Teil der digitalen Fabrik machen.

Der 3D-Druck ist kein neue „Erfindung“, verschiedene Verfahren gut 30 Jahre alt. Dementsprechend etabliert sind einige der großen Druckerhersteller, wie 3D-Systems, Stratasys oder EOS. Inzwischen habe alle diese Unternehmen eigene Softwarepakete entwickelt, die dem Nutzer eine möglichst breite Palette an Werkzeugen zu Bearbeitungsstrategien, zur Designoptimierung oder zum Nestling bieten. Dennoch ist in den meisten Fällen immer noch ein Systembruch vorhanden: der vom CAD-System zur 3D-Druck-Software.

Kooperation mit 3D-Drucker-Herstellern

Doch je mehr Einsatzgebiete die Additive Fertigung bietet, je mehr Endprodukte auf diese Weise produziert werden, desto mehr Fahrt nimmt auch die Entwicklung zu einer vollständigen Prozesskette auf – vom Produktdesign zur Produktionsplanung und letztendlich bis zur Ausgabe an den 3D-Drucker. So haben inzwischen die meisten der großen CAD-Software-Hersteller Kooperationen mit den großen 3D-Drucker-Herstellern bekannt gegeben und integrieren auf unterschiedliche Weise die Druckvorbereitung in ihre Software.

Autodesk hat beispielsweise vor ein paar Jahren auf die sich verändernden Anforderungen in der Produktentwicklung mit einem komplett neuen Tool reagiert: Fusion 360. Diese cloudbasierte Plattform fasst CAD, CAM und CAE zusammen und liefert nun auch Möglichkeiten für den 3D-Druck. Bot das Tool zunächst nur direct modelling, kann es jetzt auch Skizzen in parametrische 3D-Modelle umwandeln und bearbeiten. Ähnlich wie in Inventor lassen sich (nur) 3D-Komponenten konstruieren. Zudem wird für die Version Fusion 360 Ultimate auch Autodesk Generative Design (AGD) verfügbar sein. Damit ist es möglich, über die Rechenpower der Cloud unzählige Designvarianten eines Produktes zu erhalten, indem man lediglich die physikalischen und konstruktiven Randbedingungen vorgibt. Einige dieser Varianten sind sehr bionisch und zum Teil auf herkömmliche Weise nicht oder nur schwer herstellbar. Daher liegt es nahe, dass Fusion 360 neben der CAM-Funktion für die 2- und 2,5-Achs-Bearbeitung auch die Möglichkeit bietet, die Konstruktion für den 3D-Druck vorzubereiten. Mithilfe eines 3D-Druckdienstprogramms lässt sich eine Vorschau der Netzstruktur anzeigen, kleine Nachbesserungen vornehmen und automatisch optimierte Unterstützungsstrukturen erstellen. Eine Nestling-Funktion sorgt dafür, dass man – je nach Drucker –auch mehrere Konstruktionen gleichzeitig drucken kann. Fusion 360 ist laut Autodesk mit einer Vielzahl bekannter 3D-Drucker kompatibel und arbeitet mit deren Software zusammen. Für den Druckauftrag muss die Konstruktion als STL-Datei an den Drucker geschickt werden.

Zentrale Datenbank für alle Prozesse

Einen noch viel größeren Funktionsumfang bietet Dassault Systèmes gerade im Zusammenspiel von Catia mit der datenbankbasierten 3D-Experience-Plattform, die als zentraler Datenbackbone agiert. Das Gesamtpaket für die Additive Fertigung gliedert sich bei Dassault Systèmes in vier sogenannte „Rollen“.

  • In Catia findet die Konstruktion des Bauteils statt – entweder traditionell oder über den „Function Driven Generative Designer“ (GDE), der ähnlich wie bei Autodesk organische Konstruktionen generiert. Verzichtet man im Vorfeld auf fertigungsspezifische Angaben, erhält man mehrere Varianten der Bauteile, die sich oft nur noch additiv fertigen lassen. Topologieoptimierung und Analysewerkzeuge unterstützen den Konstrukteur bereits in diesem Schritt beim Design und bei der Auswahl der optimalen Bauteilvariante.
  • Soll schließlich das Bauteil auf einem 3D-Drucker hergestellt werden, hilft der „Additive Manufacturing Programmer“ bei der Prozessplanung, also bei der Druckvorbereitung. Hier lassen sich die Maschinendaten des 3D-Druckers bereits einladen, sodass die Grundplatte vorliegt und Eckdaten des Druckers, beispielsweise der Energieeintrag, bekannt sind. Wie bei einer Nestling-Software werden – unter Berücksichtigung der Druckrichtung – die Bauteile automatisch gruppiert und angeordnet, um den vorhandenen Bauraum optimal zu nutzen. Auch nötige Stützstrukturen werden in diesem Schritt automatisch angelegt. Für diesen Schritt nutzt Dassault Systèmes die Software Delmia.
  • Den virtuellen Druckprozess macht der „Additive Manufacturing Researcher“ in einer Simulation sichtbar. Die Druck- beziehungsweise Maschinenparameter fließen automatisch in die Simulation mit ein; ebenso werden Energieeintrag, verwendete Materialien und die Stützstrukturen berücksichtigt. Mit der Kompetenz von Simulia-Lösungen wie Abaqus verspricht der Softwareanbieter Simulationen auf Layer-, Bauteil- und Built-Niveau für jedes additive Verfahren. So werden Verformungen und Spannungen, die während des Druckprozesses auftreten (können), schon in der Simulation sichtbar.
  • Um das Bauteil oder Modell entsprechend nachzuarbeiten, steht der „Reverse Shape Optimizer“ zur Verfügung. Er unterstützt den Konstrukteur bei der Nachbehandlung wie dem Entfernen von der Bauplattform und erstellt hochwertige Oberflächengeometrien. In diesem Schritt werden zudem die Verformungseffekte ausgeglichen und die Leistungsdaten des Bauteils endgültig validiert.

Download der Broschüre „Additive Fertigung für generatives Design“ von Dassault Systèmes

Die Konstruktion und Simulation, abgestimmt auf das entsprechenden additive Verfahren und den Drucker, erfolgt also durchgängig, denn alle Prozesse sind nahtlos auf Basis der 3D-Experience-Plattform miteinander verbunden. Die Daten liegen zentral für alle Prozesse im Hintergrund, die Datenquelle für das Bauteil das originale CAD-Modell. Für den eigentlichen Druck ist wiederum ein STL-Export zur Maschine erforderlich.

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STL zum Datenaustausch überflüssig

Auch bei Siemens PLM Software spricht man von einer durchgängigen Prozesskette für die Additive Fertigung – und ist damit tatsächlich sehr weit. Seit der aktuellen Version von NX stehen dem Konstrukteur eine Fülle von Tools vom Entwurf bis zum gedruckten Bauteil zur Verfügung, die nahtlos nutzbar sind. Im Unterschied zu den anderen Softwareanbietern hat Siemens mit Convergent Modeling eine Modellierungsmethode eingeführt, die das Arbeiten mit Geometrien vereinfacht, die aus einer Kombination aus Facetten-, Flächen- und Volumenkörpern bestehen. Convergent Modeling unterstützt Konstrukteure dabei, Bauteile für den 3D-Druck einfacher aufzubereiten, da eine Datenumwandlung in das STL-Format (beschreibt Modelle nur über Dreiecksflächen) überflüssig ist. Mit dieser Methode kann auch mit gescannten Daten direkt ein Bauteil für den 3D-Druck konstruiert werden. Dieser „Scan-zum-Druck-Workflow“ unterstützt das neue 3D-Datenformat 3MF und die 3D-Druckfunktionen von Microsoft.

Fachbuch „Additive Fertigung“ In dem neuen Grundlagenwerk "Additive Fertigung" erläutern bekannte Experten der ETH Zürich die zahlreichen Möglichkeiten der industriellen Entwicklung und Konstruktion additiv gefertigter Serien- und Endkundenteile. Neben erfolgreichen Produktbeispielen aus der Industrie werden neue Methoden und Vorgehensweisen vorgestellt, die dem Leser als praxisnaher Leitfaden dienen. „Additive Fertigung“ kann hier versandkostenfrei oder als eBook bestellt werden.

Wie bei den anderen Systemen ist bei NX ebenfalls eine Topologieoptimierung integriert, die leichte, bionische Formen entstehen lässt. Indem der Konstrukteur nur die „DNA“ eines Bauteils definiert, ändert sich dessen Form in Abhängigkeit vom Umfeld. Diese generative Konstruktion – bei Siemens wird das auch als simulationsgetriebener Ansatz bezeichnet – setzt frühzeitig Simulation ein, um die Belastung der Bauteile mit zu berücksichtigen. Ohne die Konstruktionsumgebung zu verlassen, können die Designkonzepte unter anderem hinsichtlich Strukturdynamik, Strömungsmechanik und Akustik mit Simcenter validiert werden. Während des Konstruktionsprozesses kann in NX zudem überprüft werden, ob die Wandstärke druckbar ist, ob das Teil in den Bauraum passt oder ob eingeschlossene Volumen vorhanden sind.

Ähnlich wie über die 3D-Experience-Plattform bereitet NX den 3D-Druck spezifisch für den ausgewählten Drucker vor. Dafür nutzt Siemens allerdings die Technologie von Materialise, was nicht nur Vorteile bei der Druckvorbereitung sondern auch für den Druckprozess bietet. Zunächst lassen sich Bauteile automatisiert anordnen, was den Einsatz von Stützstrukturen verringern kann. Für Kunststoffteile ist eine automatisierte 3D-Schachtelung verfügbar. Für Metallteile, die im Pulverbett-Schmelzverfahren aufgebaut werden, ist dies ebenfalls automatisiert möglich – bei voller Assoziativität zum Modell.

Dank der Kooperation mit Materialise unterstützt das Build-Prozessor-Framework in NX zahlreiche 3D-Drucker. Sollten NX-Anwender bereits für ihren Drucker Build-Prozessoren von Materialise besitzen, können sie in NX darauf zugreifen und direkt aus der Anwendung heraus drucken nachdem der Druckprozess Schicht für Schicht simuliert wurde. Siemens PLM Software hat bereits mit Herstellern Pulverbett-basierter Verfahren zusammengearbeitet, um solche Komplettlösungen zu entwickeln. Nach dem Durckprozess erfolgt schließlich die Weiterbearbeitung mit NX CAM, um beispielsweise die Stützstrukturen zu entfernen oder die Oberflächen zu bearbeiten.

Von Kooperationen profitiert der Konstrukteur

Direkt aus der Anwendung heraus einen Druckauftrag an den 3D-Drucker zu schicken, wie aus Office-Anwendungen gewohnt, ist bis heute nicht selbstverständlich. Sowohl Druckerhersteller als auch die CAD-Softwareunternehmen haben über Jahre hinweg jeder für sich die eigenen Systeme optimiert. Parallel haben sich Dienstleister, wie beispielsweise Materialise, entwickelt, die selbst Software entwickeln, um den additiven Fertigungsprozess auf verschiedensten Maschinen zu perfektionieren.

Die Kompetenz eines CAD-Softwareherstellers liegt sicherlich in der mechanischen Konstruktion, der Designoptimierung und der Simulation, während in die Software der 3D-Drucker-Hersteller beim Bearbeiten der Bauteile das komplette Know-how über den Drucker einfließt. So lassen sich eventuell Veränderungen vornehmen, die beispielsweise die Kosten des Bauteils senken, weil weniger Nacharbeit nötig ist. In den letzten Jahren jedoch haben sich beide Seiten mehr und mehr aufeinander zubewegt und sind Kooperationen eingegangen. Das kann zukünftig für beide Seiten von Nutzen sein: Die Softwareunternehmen erhalten immer tiefere Einblicke in die additiven Verfahren, die Druckerhersteller hingegen profitieren vom Zugang zu Tausenden Softwarenutzern. Letztendlich hat aber der Konstrukteur den größten Vorteil, denn er profitiert von weniger Schnittstellen, hoher Druck- beziehungsweise Bauteilqualität und Angleichung der Druckvorbereitung an andere Fertigungsverfahren.

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