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Expertenbeitrag

Dr. Thomas Reiher

Dr. Thomas Reiher

Director Generative Design, Simufact Engineering GmbH - Part of Hexagon

Konstruktion Design für Additive Manufacturing ohne Expertenwissen

| Autor/ Redakteur: Dr. Thomas Reiher / Stefan Guggenberger

Generative Design Software liefert die besten Ergebnisse, wenn sie in einen vollständig digitalisierten Additiven Fertigungsprozess eingebunden ist. Wie das geht und wie Sie kostspielige Fehldrucke am besten vermeiden, lesen Sie hier.

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Aus Basis der auftretenden Spannungen berechnet der Algorithmus eine optimal auf die Anforderungen angepasste Geometrie.
Aus Basis der auftretenden Spannungen berechnet der Algorithmus eine optimal auf die Anforderungen angepasste Geometrie.
(Bild: simufact)

Einfach, kostengünstig und robust zu fertigen, auch im Einsatz eine möglichst gute Performance aufweisen und die Vorteile der additiven Fertigung ausnutzen – nicht weniger hoch sind die Anforderungen an die Konstruktion im Hinblick auf die additive Fertigung. Problematisch wird es häufig, wenn nur wenig Zeit oder auch wenig Erfahrung im Design und der Fertigung für diese Technologie bestehen. Ausgebildete Fachkräfte sind im 3D-Druck in besonderem Maße Mangelware. Unterstützung gibt es glücklicherweise aus dem Software-Bereich. Mit der speziellen Technologie des generativen Designs lässt sich ein Großteil der hohen Anforderungen ohne Expertenwissen lösen.

Das optimierte Leichtbaudesign ist innerhalb weniger Stunden berechnet worden und steigert die Performance des aktuellen Paderborner FormulaStudent Rennwagens.
Das optimierte Leichtbaudesign ist innerhalb weniger Stunden berechnet worden und steigert die Performance des aktuellen Paderborner FormulaStudent Rennwagens.
(Bild: simufact)

Design-Know-how durch intelligente Software

Generatives Design ist ein Gestaltungsprozess, bei dem die Ergebnisse nicht mehr direkt durch den Designer erzeugt werden, sondern, oft kombiniert mit künstlicher Intelligenz und Cloud Computing, durch einen programmierten Algorithmus. Damit verändert generatives Design nicht nur den Prozess des Gestaltens an sich, sondern auch die Rolle des Designers. Softwareunterstützt kann schnell eine breite Palette von Entwurfsalternativen erstellt werden, die vorab definierten, spezifischen Anforderungen entsprechen. So optimierte Strukturen lassen sich durch verschiedene Softwarelösung generieren. Softwareanbieter in diesem Bereich sind unter anderem MSC Apex Generative Design, Autodesk, PTC, Siemens oder Altair. Diese Lösungen unterstützen den Ingenieur bei der Generierung von Designs, die für die additive Fertigung ausgelegt sind und sich mit ihren komplexen Leichtbaugeometrien in dieser Ausprägung auch nur noch additiv fertigen lassen.

Die Software generiert automatisch verschiedene Designvarianten, die einer Reihe von benutzerdefinierten Zielen, Kriterien und Einschränkungen entsprechen. Aus diesen Designkonzepten wählt der Anwender das vielversprechendste Design aus und bereitet dieses für die Fertigung vor. Softwarbasiertes generatives Design kann so dabei helfen, das für die festgelegten Kriterien am besten geeignete Design zu erzeugen, ohne spezifisches Anwendungswissen der additiven Fertigung zu kennen. Die entstehenden organischen Leichtbaustrukturen sind dabei speziell für die additive Fertigung ausgelegt. Die Materialeinsparungen machen sich sowohl in den Materialkosten als auch in der Produktionszeit positiv bemerkbar und umgehen viele Fertigungsprobleme, die durch klassische Konstruktionen entstehen. Der Vorteil der Simulation liegt auf der Hand: Das Ergebnis der Optimierung ist in jedem Fall ein druckbares Design und die Fertigungsvorbereitung kann dieses direkt nutzen.

4. ADDITIVE MANUFACTURING FORUM BERLIN 2020

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Anfang März 2020, findet das 4. AM-Forum in Berlin unter dem Thema „Additive Fertigung für den industriellen Einsatz“ statt. Das AM-Forum ist eine industrieübergreifende Konferenz mit begleitender Ausstellung.
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Automatisierung aufwändiger Prozesse

Die Vorteile des generativen Designs können durch eine konsequente Automatisierung des Optimierungsprozesses ausgeschöpft werden: Der Anwender wird Schritt für Schritt durch den Modellaufbau geführt. Zudem sorgen der strukturierte Prozess und die übersichtliche Benutzeroberfläche für eine reibungslose Informationsaufnahme. Im Gegensatz zu der klassischen Topologieoptimierung erfolgen die Netzgenerierung, Optimierung und Oberflächengenerierung vollautomatisch. Langwierige Iterationen mit viel manueller Arbeit im CAD entfallen. Durch automatisierte Softwarelösungen können sich Konstrukteure auf wichtige Problemstellungen konzentrieren und müssen weniger Zeit auf Routinetätigkeiten verwenden.

Dadurch wird es Ingenieuren ermöglicht, einen größeren Mehrwert zu schaffen, in dem sich dieser wieder mehr auf die Konzeptionierung konzentrieren können. Der hohe Automatisierungsgrad und die intelligenten Algorithmen reduzieren zudem signifikant die Rechenzeiten. Die Designrichtung ist meist schon nach wenigen Minuten erkennbar und produzierbare Designs sind bereits in wenigen Stunden erstellt. Die dadurch beschleunigten Designprozesse ermöglichen eine schnellere Produkteinführungszeit und reduzieren Kosten in dem gesamten Arbeitsablauf.

Integrierte Lösung für die Produktion

Eigenspannungen und Verzüge, Rissbildungen, überhitzte Zonen, „Shrink lines“ sind nur eine Auswahl von typischen Fertigungsproblemen. Statt aufwendige Testbaujobs durchzuführen und nachträglich die Parameter zu verändern, lassen sich generativ erzeugte Geometrien direkt in bekannte Lösungen wie Simufact Additive und Digimat für die Simulation des Bauprozesses einladen. So wird das Design nicht nur für den Einsatz, sondern auch maschinenspezifisch für die Fertigung angepasst und ausgerichtet. Hier schließt sich zum einen die Lücke zwischen Design und Fertigung und zum anderen wachsen hier benachbarte Anwendungen zusammen und liefern gemeinsam bessere Lösungen. Der Anspruch an ein gutes Generative-Design-Tool ist es direkt druckbare Designs zu erzeugen, die keine manuelle Nachbearbeitung von Geometriefehlern erfordern. Verbindet der Anwender kompatible Softwarelösungen wie MSC Apex Generative Design und Simufact Additive, erhält er seine Ergebnisse und eine zusätzliche Abschätzung der Druckkosten schnell und zuverlässig. Dies ermöglicht einen echten "First Time Right" 3D-Druck und reduziert kostspielige Fehlversuche.

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