Online-Optimierung beim 3D-Druck Maximale Funktion - minimaler Materialeinsatz

Neue Möglichkeiten in der additiven Fertigung. 3D-Modelle und keine verfahrensbedignte Produktionseinschränkungen.
Online-Tool, um die neuen Möglichkeiten der additiven Fertigung optimal zu nutzen.

Die additive Fertigung eröffnet Entwicklern und Designern neue Möglichkeiten zur Gestaltung, denn sie kennt keine verfahrensbedingten Produktionseinschränkungen. Mit einem Online-Tool von Protiq lassen sich jetzt 3D-Modelle sehr einfach und schnell optimieren – um Material und Masse zu sparen.

Bei der Produktentwicklung mussten Designer und Konstrukteure bislang stets Rücksicht auf die Herstellbarkeit und auf die durch das Produktionsverfahren bedingten Einschränkungen nehmen. In der additiven Fertigung wird ein Bauteil jedoch nicht aus einem Materialblock herausgearbeitet, sondern Schicht für Schicht aus einem formlosen Ausgangsstoff aufgebaut. Auf diese Weise können sich Produktentwickler und -Designer bei der Gestaltung eines Objekts voll und ganz auf dessen Funktion fokussieren. Mit dem zweidimensionalen schichtweisen Aufbau im 3D-Druck werden somit die dreidimensionalen Herausforderungen und Problemstellungen aus der konventionellen Verarbeitung gelöst.

Auf Basis einer Topologieoptimierung lassen sich nun Grundformen unter Berücksichtigung genau definierter Randbedingungen und auch Spannungsrestriktionen so generieren, dass sie maximale Leistungsmerkmale mit geringem Materialverbrauch und mit niedriger Masse vereinen. Die Kombination der Topologieoptimierung mit der additiven Fertigung und innovativen Materialien bietet Konstrukteuren also neue Möglichkeiten, die Formgebung und den damit einhergehenden Funktionsumfang von Produkten neu zu denken (Bild 1).

Von der kraftflussgerechten Konstruktion profitieren unter anderem solche Branchen, für die Gewichtsreduktion eine große Rolle spielt. Dazu gehören zum Beispiel die Automobilindustrie sowie die Luft- und Raumfahrt. Bei der Topologieoptimierung handelt es sich um ein computerbasiertes Berechnungsverfahren, das mechanisch belastete Bauteilstrukturen derart auslegen kann, um bei minimalem Materialeinsatz eine größtmögliche Steifigkeit zu erzielen. Dabei werden ausschließlich die Bereiche eines Bauteils generiert, die für den notwendigen Kraftfluss sowie die Stabilität erforderlich sind. Daraus resultieren komplexe Strukturen, die sich mit den bekannten Produktionsverfahren nicht oder nur bedingt umsetzen lassen.

Topologieoptimierung – online, einfach, selbsterklärend

Auf der Internetsite von Protiq stehen webbasierte Konfiguratoren für den 3D-Druck zur Verfügung, mit denen in wenigen Minuten individuelle Bauteile aus Kunststoff oder Metall adaptiert sowie direkt bestellt werden können. Ohne spezielle Kenntnisse im Bereich der CAD-Konstruktion kann man intuitiv und schnell Datenmodelle für die additive Fertigung erzeugen. Neu ist jetzt eine weitere Option: eine einfach bedienbare Software, mit der sich eine Topologieoptimierung von Bauteilen realisieren lässt.

Im direkten Vergleich bedingt die konventionelle Verbesserung der Bauteilgestaltung ein umfangreiches und auch detailliertes Verständnis hinsichtlich der Handhabung der gängigen 3D-CAM-Software. Durch die neue Online-Optimierungssoftware von Protiq ist eine verständliche und sogar für den Laien schlüssige Topologieoptimierung möglich.

Zu diesem Zweck erlaubt die selbsterklärende Benutzeroberfläche jederzeit eine komplette Nachvollziehbarkeit der einzelnen Schritte, der Konstrukteur wird mit einer entsprechenden Vielzahl von Erklärungs- und Hinweistexten durch die Eingaben geführt. Auch lässt sich dieser gesamte Prozess der Topologieoptimierung vorab anhand von Beispielbauteilen und in Kombination mit einem Einführungs-Tutorial durchspielen und testen.

Direkt druckbares Modell

Wie funktioniert die Topologieoptimierung nun genau? Zunächst legt der Konstrukteur den Gestaltungsbereich fest, der für die Ausprägung der verbesserten Geometrie maximal verfügbar ist. In diesem Kontext gibt es die Option, einen uneingeschränkten Raum zu definieren, damit genau überall dort optimierte Strukturen generiert werden können, wo es der Kraftfluss erfordert.

Alternativ kann der Gestaltungsbereich begrenzt werden, sodass der automatisierte Gestaltungs- und Verbesserungsprozess in einem vorgegebenen Raum abläuft. Diese Einschränkung erweist sich dann als sinnvoll, wenn innerhalb einer Baugruppe benachbarte Komponenten den vorhandenen Raum limitieren, wie es zum Beispiel im Motorraum eines PKW der Fall ist. Für eine solche Eingrenzung muss dann der maximale Gestaltungsbereich erstellt und hochgeladen werden.

Ist der Gestaltungsbereich festgelegt, sind dann verschiedene Belastungssituationen – sogenannte Lastfälle – zu betrachten, denen das Objekt in der Anwendung standhalten muss. Ein Lastfall beschreibt eine Situation, in der unterschiedliche Kräfte gleichzeitig wirken können und beinhaltet die bestehenden Lagerpunkte.

Natürlich ist jedes Bauteil in der Praxis ganz anderen Belastungsverhältnissen ausgesetzt. Ein Modell kann somit durch zahlreiche Lastfälle beeinflusst werden. Die Software analysiert die Krafteinwirkung auf das Modell unter Berücksichtigung der Anbindungspunkte, die auch als Lagerbedingungen bezeichnet werden.

Alle Bereiche, die keiner Belastung unterliegen und keinen sonstigen Nutzen haben, entfernt die Software automatisch aus dem 3D-Modell. Das Ergebnis erinnert an bionische Strukturen und vereint Funktion mit geringer Masse sowie Materialaufwand. Das so generierte 3D-Modell ist direkt druckbar, es sind keine manuellen Folgeprozesse notwendig (Bild 2).

Zeit und Kosten bei der Timierung sparen

Das Online-Tool von Protiq erleichtert und beschleunigt die Topologieoptimierung erheblich. Bisher setzte der Prozess umfangreiche Kenntnisse im Umgang mit spezieller Software voraus, sodass selbst simple Anwendungsfälle oftmals Tage oder sogar Wochen in Anspruch nahmen.

Mit der Online-basierten Topologieoptimierung sind diese langen Überarbeitungszeiten vorbei, denn die Protiq-Software verlangt für die Verbesserung eines 3D-Modells kein spezifisches Wissen, sondern lediglich wenige Mausklicks. So lässt sich neben dem Material- auch der Zeitaufwand signifikant reduzieren – und das bei hoher Qualität der Produkte (Bild 3). Nachdem das optimierte 3D-Modell mit dem Tool generiert worden ist, kann es als ein Projektentwurf gespeichert, als CAD-Modell gekauft oder seine Fertigung direkt bei Protiq in Auftrag gegeben werden.

Die Herstellung des Bauteils geschieht dann im industriellen 3D-Druck durch selektives Laserschmelzen oder Lasersintern. Da beim 3D-Druck jedes gedruckte Gramm zählt und sich im Preis niederschlägt, werden die Produktionskosten mit der Topologieoptimierung angepasst und stets aktuell angezeigt.

 

Lehrgang: Fachkraft für 3D-Drucktechnologien (IHK)

3D-Druck ist ein Fachbereich, der trotz seiner heutigen Relevanz noch in den Kinderschuhen steckt. Deshalb bietet die Protiq GmbH in Zusammenarbeit mit der IHK Lippe zu Detmold einen Zertifikatslehrgang zur »Fachkraft für 3D-Drucktechnologien (IHK)« an.

Das IHK-Seminar, das in den Räumlichkeiten von Protiq in Blomberg stattfindet, gliedert sich in sechs Module, die sich auf insgesamt 64 Lehrstunden verteilen. Behandelt werden Themen wie die Grundlagen des 3D-Drucks, Regeln und auch Richtlinien beim Design und der Konstruktion für die verschiedenen Verfahren sowie die Erstellung komplexer 3D-Bauteile.

Voraussetzung für die Teilnahme am Lehrgang ist eine abgeschlossene gewerblich-technische Berufsausbildung oder mehrjährige einschlägige Berufserfahrung. Weitere Informationen zum Seminar und zur Anmeldung bietet die IHK Lippe zu Detmold auf ihrer Internetseite www.detmold.ihk.de.

 

Die Autoren

Stefan de Groot

ist Technologiemanager und Projektleiter „»Additive Fertigung« bei der Protiq GmbH.

sdegroot@protiq.com

 

 

 

 

 

 

Johannes Lohn

ist Leiter Entwicklung und Engineering bei der Protiq GmbH.

jlohn@protiq.com