Experteninterview:Cheftechnologe von ANSYS zum Erfolg beim Metall-3D-Druck mit Simulation

Metall-3D-Druck kann ein heikles Geschäft sein. Aufgrund potenzieller Probleme wie thermischer Verformung, Eigenspannungen, Rissbildung und Verwerfung ist der Druckprozess für Metalle oft schwer vorherzusagen, geschweige denn kontrollierbar. Hier kommt Simulationssoftware ins Spiel.

Simulationssoftware kann verwendet werden, um Metallteile und -prozesse zu entwerfen und zu simulieren, mit dem Ziel, Druckfehler in der Konstruktionsphase zu minimieren, bevor ein Teil zum Druck gesendet wird.

Ein Unternehmen, das den Markt für Metallsimulationssoftware anführen möchte, ist ANSYS . Das Milliarden-Dollar-Unternehmen, das für seine Engineering-Simulationssoftware bekannt ist, ist mit seiner Additive Suite in den Bereich der additiven Fertigung vorgedrungen Software, eine Reihe von Metallsimulations- und fortschrittlichen Konstruktionswerkzeugen.

In Verbindung mit einer Reihe strategischer Akquisitionen, darunter das Metallsimulationsunternehmen 3DSIM und das Materialunternehmen Granta Design, unternimmt ANSYS aktiv Schritte, um seine Simulationskapazitäten für den Metall-3D-Druck zu erweitern.

Diese Woche sprechen wir mit Dave Conover, Chief Technologist of Additive Manufacturing von ANSYS, um zu diskutieren, wie das Unternehmen Ingenieuren dabei hilft, sich in der Welt des Metall-3D-Drucks zurechtzufinden, den aktuellen Stand des Metall-3D-Druckmarktes und wie Unternehmen mit der Technologie.

Können Sie uns etwas über ANSYS und die Probleme, die Sie lösen, erzählen?

ANSYS ist ein Anbieter von Simulationssoftware für den Maschinenbau. In der Vergangenheit haben unsere Kunden unsere Software verwendet, um zu simulieren, wie ein Produkt im realen Leben funktionieren wird.

Aber mit der Einführung der additiven Fertigung haben wir erkannt, dass es nicht nur notwendig war, das Produkt zu simulieren und wie es verwendet wird, sondern auch um den Prozess selbst zu simulieren, aufgrund der Natur des additiven Herstellungsprozesses. Dazu gehört auch die Untersuchung von Dingen wie Bauteilverformung und möglichem Bruch und Rissbildung.

Als Teil unseres Konstruktionskontinuums wollten wir untersuchen, wie man diesen additiven Prozess am besten simulieren kann.

Jetzt stellen wir Werkzeuge für die additive Prozesssimulation zur Verfügung und beschäftigen uns auch mehr mit dem Designelement. Dazu gehört das Design für die Eigenschaften des Additivs mit Werkzeugen wie der Topologieoptimierung, bei der ein Computer die Konstruktion eines Teils basierend auf seinen funktionalen Anforderungen steuern kann.

Wir betrachten auch Dinge wie Gitterstrukturen, die man nicht anders herstellen kann als mit Additiv.

Können Sie uns einen tieferen Einblick in die Additive Suite von ANSYS und die Funktionsweise der Software geben?

Na sicher. Die von uns angebotenen Lösungen gliedern sich im Wesentlichen in drei Bereiche.

Die erste wurde für den Maschinenbediener oder Konstrukteur entwickelt, der eine Maschine zum Drucken eines Teils verwenden muss. Sie benötigen ein Werkzeug, das ihnen einen schnellen Einblick in die Verzerrungen gibt, die beim Build erzeugt werden, und Möglichkeiten bietet, diese Verzerrungen zu berücksichtigen – die als Kompensation bezeichnet werden.

Also die erste Lösung, die wir haben, ist ein Tool namens Additive Print . Es richtet sich an den Maschinenbediener, der eine STL-Datei von der Konstruktionsgruppe erhält und deren Aufgabe es ist, diese erfolgreich zu drucken.

Zweitens stellen wir auch Tools für das Konstruktionsteam zur Verfügung, eine Gruppe, die in der Vergangenheit unsere Produkte verwendet hat, um zu untersuchen, wie sich ein Teil in der Realität verhalten wird. Aber jetzt haben wir ihnen die Werkzeuge an die Hand gegeben, um den Prozess auch zu simulieren, damit sie ein Teil im Voraus für die additive Fertigung konstruieren können.

Die dritte von uns angebotene Lösung heißt Additive Science . Dies ist ein Werkzeug für Materialwissenschaftler und Ingenieure, die den Prozess entwickeln. Sie müssen die Maschinen verstehen und sich beispielsweise ansehen, welche Einstellungen für eine Maschine erforderlich sind, um einen guten Build zu erzielen, damit wir einen Build haben, der nicht viel Porosität aufweist und die richtige Mikrostruktur hat, um die Leistung zu erzielen, die wir benötigen von einem Teil wollen.

Das sind also die drei Lösungen:eine für die Leute, die ein Additivteil konstruieren, eine für die Leute, die die Maschinen betreiben, und schließlich eine für diejenigen, die versuchen, die optimalen Parameter an der Maschine herauszufinden um einen erfolgreichen Build zu erhalten.

Gibt es bestimmte Branchen, die am meisten von Ihrer Simulationssoftware profitieren?

Ein Early Adopter ist sicherlich die Luft- und Raumfahrt.

Wir haben hier aufgrund der Leichtbau-AM-Angebote und des Bedarfs der Industrie an der Herstellung dieser komplexen, leichten, multifunktionalen Teile frühzeitig Interesse festgestellt.

Biomedizin ist auch ein weiterer Bereich, der ein wachsendes Interesse an Metall-AM hat.

Aber wirklich, das Interesse am 3D-Metalldruck breitet sich jetzt auf viele andere Branchen aus, die sich mit der Technologie einen Wettbewerbsvorteil verschaffen oder die Kosten für einzigartige, Kleinserienprodukte, die heute entwickelt werden.

Sie erwähnten das Interesse des biomedizinischen Sektors an Metall-AM. Wie nutzt der biomedizinische Sektor die Technologie und wo passt die Simulation dazu?

Hauptanwendungsgebiet sind Prothetik und Implantate, die typischerweise aus Metall bestehen. Hier ist die Anpassung der Schlüssel. Sie stellen entweder eine oder eine kleine Charge bestimmter Größen her, die patientenspezifisch sind. Mit Additiv ist dies sehr einfach möglich – es geht einfach darum, ein bestimmtes Design für das Implantat, die Prothese oder ein anderes medizinisches Gerät zu erstellen.

Natürlich haben Sie bei der Metallverarbeitung ein Problem:dass Sie mit Verzerrungen enden. Das entworfene Teil und das Teil, das aus dem Drucker kommt, sind aufgrund der thermischen Verformungen, die während des Herstellungsprozesses auftreten, nicht unbedingt ein und dasselbe.

Dies zu berücksichtigen und in der Lage zu sein, diese Verzerrungen umzukehren, ist wichtig. Die Simulation stellt sicher, dass Sie das Teil beim Entwerfen und beim Drucken in die gewünschte Form verzerren können, damit es zum Gesicht der Person oder ihrem Hüftimplantat passt oder wo immer es bei einem medizinischen Eingriff benötigt wird.

Gibt es Einschränkungen bei der bestehenden Simulationssoftware – etwas, das die Technologie nicht kann?

Nun, die eigentliche Herstellung ist ein sehr komplexer Prozess; Es passiert viel, wenn Laser auf diese Pulverpartikel treffen. Es ist schwierig, die Physik überhaupt zu verstehen, geschweige denn in der Simulationssoftware zu berücksichtigen.

In jede Simulationssoftware sind heute gewisse Annahmen eingebaut, die die Genauigkeit, die sie liefern kann, einschränken. Das ist im Moment wahrscheinlich der größte Nachteil:Sie können nicht so genau sein, wie Sie es gerne hätten.

Das heißt, es ist sicherlich ein sich entwickelndes Gebiet und es wird eine Menge Forschung betrieben, um es zu verstehen den Prozess und in der Lage sein, Methoden zu entwickeln, um ihn genauer zu simulieren. Wir sind an vielen Forschungsprojekten auf der ganzen Welt beteiligt und versuchen, dies voranzutreiben, um eine bessere Genauigkeit zu erzielen.

Das Besondere am 3D-Druck mit Metallen ist, dass Sie die Material, wie Sie das Teil herstellen. Es unterscheidet sich stark von allen anderen Herstellungsverfahren.

Wir arbeiten daran, zu verstehen, wie Sie die Prozessparameter steuern, damit das Material am Ende das gewünschte Ergebnis erhält – mit der richtigen Ermüdungsbeständigkeit und der richtigen Porosität und Mikrostruktur damit Sie diese Detailebene betrachten können.

Wie weit sind wir davon entfernt?

Wir sind ziemlich nah dran. Wir werden im nächsten Jahr oder so Produkte herausbringen, die in der Lage sein werden, diese Art von Simulation durchzuführen.

Obwohl wir viele Validierungs- und Kalibrierungsarbeiten durchführen müssen, um effektiv zu sein, sind wir zuversichtlich, dass wir den Prozess gut genug verstehen, um dies zu tun. Es ist nur eine Frage der Zeit, die Software zu entwickeln.

ANSYS erwarb 2017 das Metallsimulationsunternehmen 3DSIM. Was weckte damals den Wunsch, in die additive Fertigung einzusteigen?

Unsere Kunden tauchten ganz einfach in die Technologie ein. Wir haben erkannt, dass wir sie bei ihren Bemühungen unterstützen müssen:Sie verwenden unsere Werkzeuge, um Produkte zu entwickeln, und sind nun auf die additive Fertigung umgestiegen. Sie brauchten die Tools, um diese Produkte mit der Technologie zu entwickeln.

Wir haben auch früh erkannt, dass sie nicht nur Hilfe bei der Konstruktion von Produkten benötigen, sondern auch Hilfe beim Verständnis der Technologie und des Prozesses selbst – zum Beispiel bei Verformungen und Eigenspannungen.

Als wir anfingen, die Möglichkeit auszuloten, wussten wir, dass wir in absehbarer Zeit keine Lösung organisch selbst entwickeln können, insbesondere wenn es um Mikrostrukturen geht.

Also fanden wir 3DSIM, ein Unternehmen, das bereits begonnen hatte, sich in diesem Bereich zu engagieren. Sie hatten viele großartige Technologien entwickelt, hatten ein großartiges Team von Leuten – und das passte damals einfach zu uns.

ANSYS hat kürzlich auch Granta Design mit Sitz in Cambridge übernommen. Welche Auswirkungen wird dies auf Ihre AM-Fähigkeiten haben?

Granta Design ist im Wesentlichen ein Unternehmen für Materialinformationen. Man könnte sogar sagen, dass sie das PLM der Materialdaten sind, da sie Materialdaten für Unternehmen verwalten.

Der Schnittpunkt im Bereich Additive ist, dass viele Daten mit dem AM-Prozess verbunden sind, wie zum Beispiel Maschinen Einstellungen zum Beispiel. ANSYS und Granta Design sahen die Notwendigkeit, Unternehmen bei der Kontrolle und dem Verständnis dieser Volumendaten zu unterstützen.

Ein Bereich, in dem wir beispielsweise zusammengearbeitet haben, ist die Möglichkeit, die Maschineneinstellungen zu verwalten. Das heißt, wenn ein Unternehmen eine Drucksimulation durchführt, können die Maschineneinstellungen, die es auf seinen Druckern verwendet, in die Datenbank kopiert und einfach heruntergeladen und in das Simulationsprogramm übernommen werden.

Auf ähnliche Weise können die Materialdaten von Granta in die Simulationssoftware übernommen werden. Auf diese Weise können Sie sicher sein, dass Sie das richtige, validierte Material für dieses Unternehmen und für dieses Material verwenden. Auf der additiven Seite machen wir also dasselbe – die Verwaltung dieser Daten.

Gibt es andere Partnerschaften in der Pipeline, über die Sie sprechen können?

Wir sind sicherlich immer bestrebt, das Ökosystem in unserem gesamten Produktstrom aufzubauen. Wir konzentrieren uns derzeit auf einige Bereiche.

Eines erweitert unseren Physikraum. Wir haben vor kurzem ein Optikunternehmen gekauft, da wir in die optische Simulation einsteigen – oder Lichtsimulation, wenn Sie so wollen. Dies ist beispielsweise ein sehr wichtiger Bereich für autonome Fahrzeuge, in dem wir uns stark engagieren.

Im additiven Bereich arbeiten wir auch daran, dieses Ökosystem aufzubauen. Wir schauen uns immer an, wie unsere Kunden unsere Produkte verwenden und wo ihre Schwachstellen liegen. Auf dieser Grundlage versuchen wir herauszufinden, ob wir bei der Bereitstellung einer Lösung helfen können, sei es organisch oder durch eine Akquisition oder Partnerschaft.

Ich denke, in Zukunft wird es definitiv mehr geben, denn bei AM gibt es so viele Akteure und Teile, die ein Unternehmen zusammenstellen muss, um wirklich einen effektiven Herstellungsprozess zu erreichen. Wenn wir also so viele dieser Lösungen wie möglich anbieten können, um diesen Arbeitsablauf so einfach wie möglich zu gestalten, dann profitieren alle davon.

Welchen Rat würden Sie einem Unternehmen geben, das Metall-3D-Druck einführen möchte?

Es ist sicherlich so, dass große Unternehmen die Ressourcen und die Fähigkeit haben, in die Technologie einzutauchen. Aber es ist ein bisschen schwieriger, wenn Sie ein kleines Unternehmen sind.

Es gibt jedoch einige Dinge, die Sie tun können.

Eines der ersten Dinge, die Sie herausfinden müssen, ist, welche Teile und Ideen Sie produzieren können, die wirtschaftlich sinnvoll sind. Viele 3D-Druck-Servicebüros verfügen über dieses Know-how und können Sie beraten und Teile herstellen.

Die Nutzung dieser Serviceanbieter ist eine Möglichkeit, Ihre Füße mit der Technologie nass zu machen. Anstatt also in Maschinen zu investieren und zu versuchen, sie zu verstehen, was ein enormer Aufwand ist, müssen Sie sich nur einige Designs ausdenken und sie von einem Drittanbieter drucken lassen.

Es ist auch wichtig zu wissen, dass Sie nicht einfach ein Gerät nehmen, es anschließen und vom ersten Tag an mit dem Drucken beginnen. Es wird einige Zeit dauern, das Know-how und das Verständnis für die Technologie aufzubauen. Natürlich gibt es viele Kurse, die Sie belegen können, viel Fachwissen und Beratungen, die Sie auch nutzen können.

Zuletzt ist es auch eine Frage der Geduld. Sicherlich werden die Maschinen immer besser und es herrscht generell ein besseres Verständnis in der Branche als noch vor fünf Jahren. Irgendwann wollen wir einen Punkt erreichen, an dem wir nur noch zu tun haben Schließen Sie die Maschinen einfach wie bei einem normalen Herstellungsprozess an. Ich denke, wir werden es mit dem 3D-Druck irgendwann schaffen, aber wir sind noch nicht da. Es wird also einige Zeit dauern, die Technologie weiterzuentwickeln.

Wie sehen Sie den aktuellen Stand des Metall-3D-Drucks?

Es war wirklich interessant zu sehen, wie es sich entwickelt. Am Anfang gab es definitiv viel Hype – Gartners Hype-Kurve spricht darüber, insbesondere mit den frühen Anwendern, die einspringen.

Dann gab es die Flaute, in der die Branche erkannte, dass es nicht so sein würde so einfach, wie es zunächst schien.

Aber ich denke, wir haben jetzt die Aufregungsphase und die Ruhephase hinter uns. Die Erwartungen sind viel realistischer und es gibt ein besseres Verständnis dafür, was mit Additiv getan werden kann und wie schnell Sie es annehmen können.

Ich denke, jetzt erleben wir einen Aufschwung:In den kommenden Jahren erwarte ich, dass die Verkäufe von Metall-3D-Druckern weiter steigen werden, vielleicht nicht so aggressiv wie in den ersten ein oder zwei Jahren. Aber wir werden sehen, dass sich die Akzeptanz in allen Branchen stetig verbessert, nicht nur in den Early Adopters, wie Luft- und Raumfahrt und Medizin.

Mit anderen Worten, wir sind definitiv über dem Buckel.

Welche Herausforderungen müssen Ihrer Meinung nach noch gelöst werden, um die Einführung der Technologie zu beschleunigen?

Es sind so viele kleine Stücke. Ich habe erwähnt, dass die Maschinen und die Technik dahinter noch reifen müssen.

Ein weiterer Aspekt besteht darin, den Workflow zu verstehen und diesen in einen geregelten Prozess zu überführen, der umreißt, wie wir vom Design über die Produktion bis hin zur Nachbearbeitung gehen. Aber das vollständige Verständnis wird noch etwas dauern.

Dann stellt sich die Frage der Nachbearbeitung. Faktoren wie wie behandeln wir diese Teile und wann behandeln wir sie? In diesem Bereich wird derzeit viel Arbeit geleistet, da selbst diese Dinge einige Zeit brauchen, um sich zu entwickeln und zu verstehen.

Letztendlich ist das gesamte AM-Ökosystem fragmentiert:Es gibt viele kleine Lösungen und Unternehmen, die man zusammenschustern muss, um einen Workflow und eine End-to-End-Lösung zu schaffen.

Diese Konsolidierung muss fortgesetzt werden. Ich denke, das wird die Dinge einfacher machen, insbesondere für ein Unternehmen, das nicht die Möglichkeit hat, eine ganze Reihe verschiedener Soft- und Hardware zu kaufen, um eine End-to-End-Lösung zu erhalten.

Irgendwelche letzten Gedanken?

Abschließend möchte ich sagen, dass wir mit Additiv auf einer Reise sind.

Wir sind noch nicht ganz am Ziel:Die Maschinen sind noch nicht da, das Verständnis für den gesamten Prozess ist noch nicht da. Aber das Spannende ist, dass wir sind dorthin gelangen, nach und nach.

Bei ANSYS arbeiten wir mit Kunden und Anbietern zusammen und entwickeln Forschungsinitiativen, um dies voranzutreiben. Wir planen, unsere Tools weiterzuentwickeln, um sie zu verbessern. Und wir hoffen, den Punkt zu erreichen, an dem wir genau wissen, wie man für die additive Fertigung konstruiert und baut – wo dies ein einfacher Prozess wird, wie es heute die maschinelle Bearbeitung ist.

Um mehr über ANSYS und seine Simulationslösungen zu erfahren, besuchen Sie: https://www.ansys.com/