3D-Drucksoftware:Erzielen einer echten digitalen Produktion

Die Fähigkeiten von 3D-Drucksoftware nehmen zu, da die Branche weiter reifer wird.

In der Vergangenheit lag das Segment der 3D-Drucksoftware tendenziell hinter denen der Hardware und Materialien zurück. Spannende Entwicklungen der letzten Jahre zeigen jedoch, dass dieses Segment schnell aufholt und Unternehmen in die Lage versetzt, komplexe Designs schneller zu erstellen, die Druckerfolgsraten zu steigern, die Teilequalität sicherzustellen und Arbeitsabläufe effizienter zu verwalten.

Da Software der Schlüssel zu einer zukunftsfähigen Produktion mit 3D-Druck ist, werfen wir einen Blick auf die Entwicklungen, die dies ermöglichen.

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Design- und CAD-Software:AM-spezifische Tools erstellen 

Bis vor kurzem war Computer-Aided Design (CAD) Software nicht für die Designanforderungen des 3D-Drucks optimiert.

Additive Manufacturing (AM) bietet die Vorteile einer höheren Designkomplexität. Diese Vorteile gehen jedoch mit der Notwendigkeit eines anderen Designansatzes einher, der oft als Design for AM (DfAM) bezeichnet wird.

Das Designen für AM bietet einzigartige Herausforderungen und Möglichkeiten, die in den traditionellen Designmethoden nicht zu finden sind. Es beinhaltet die Schaffung neuer Designpraktiken, die auf Materialreduktion und Erforschung komplexer Designmerkmale abzielen.

Daher sind entsprechende Tools erforderlich, damit Ingenieure die Designflexibilität von AM voll ausschöpfen können.

Langsam aber sicher erscheinen diese Tools auf dem Markt. Der größte Schub kam von großen Softwareunternehmen wie Autodesk, Altair, Dassault Systems und PTC, die AM-Designfunktionen im Rahmen ihrer CAD-Lösungen entwickelt haben.

Beispielsweise unterstützt Autodesk im Rahmen einer großen Investition in AM-Technologie mit seiner Netfabb-Suite die Konstruktionsvorbereitung für den 3D-Druck.

Netfabb ermöglicht es Ingenieuren, Modelle aus einer Vielzahl von CAD-Formaten zu importieren, zu analysieren und zu reparieren und Bereiche zu identifizieren, die Unterstützung benötigen. Netfabb kann auch verwendet werden, um halbautomatisch Stützstrukturen zu generieren und Modelle so zu modifizieren, dass sie für die Produktion optimiert sind.

DfAM wurde auch als die nächste Grenze für die Creo CAD-Plattform von PTC anerkannt. In der neuen Version bietet Creo 6.0 integrierte Unterstützung für die spezielle geometrische Modellierung, die zum Erstellen von Leichtbaufunktionen erforderlich ist, darunter stochastischer Schaum, konformes Gitterwerk, formelgesteuerte Gitter und benutzerdefinierte Gitter.

Darüber hinaus können die 3D-Druck-Bauausrichtung und die Stützstrukturen in Creo 6.0 analysiert und optimiert werden, was nach Angaben des Unternehmens sowohl bei der Bauproduktion als auch bei der Bearbeitung nach dem Druck Zeit spart.

Erweiterte Designsoftware 

Eine Handvoll Unternehmen entwickelt auch CAD-Lösungen speziell für den Advanced Engineering. Ein Beispiel ist nTopology, das kürzlich die nTop-Plattform veröffentlicht hat, die entwickelt wurde, um technische Probleme zu lösen, bei denen die Geometrie ein Engpass ist.

nTop ist eine computergestützte Lösung, die CAD-, Simulations- und computergestützte Fertigung (CAM) integriert, um Engineering-Teams bei der Erstellung komplexer und optimierter Geometrien zu unterstützen.

Ingenieure können beispielsweise mit nTop das Gewicht reduzieren und die Leistung der Teile maximieren. Sie können auch mehrere Belastungsbedingungen anwenden und für eine Vielzahl von Leistungskriterien optimieren, einschließlich Spannung, Verschiebung, Steifigkeit und Gewicht – der Prozess, der als Topologieoptimierung bekannt ist.

Interessant ist auch, dass die Software in der Lage ist, Teile zu schneiden, fehleranfällige STL-Dateien zu vermeiden und Fertigungsdaten direkt an Maschinen zu exportieren.

Ein weiteres Unternehmen, das die Grenzen für 3D-Druck-Designsoftware ausreizt, ist Hexagon. Anfang dieses Jahres erwarb es AMendate, einen deutschen Anbieter von Topologie-Optimierungssoftware für AM. AMendate wurde nun dem MSC Software-Zweig von Hexagon hinzugefügt, was zur Einführung der MSC Apex Generative Design-Software führte.

Die neue Lösung zur Designoptimierung verbessert die Qualität durch Automatisierung von Designprozessen, kombiniert mit eingebettetem Fertigungswissen.

Die Software soll innerhalb weniger Stunden eine Teilekonstruktion erstellen, die für AM fertig ist – ein Bruchteil der normalerweise benötigten Zeit. Dies verbessert die Produktivität um bis zu 80 Prozent im Vergleich zu alternativen Lösungen zur Topologieoptimierung.

„Obwohl eine Reihe von Softwarelösungen für die Designgenerierung existieren und derzeit auf dem Markt sind, sind deren Fähigkeiten begrenzt. Sie sind beispielsweise sehr zeitaufwendig in der Anwendung. Außerdem fehlt es ihnen an vollständiger Automatisierung, und die zu erstellenden Designs sind für reale geschäftliche Herausforderungen nicht komplex genug“, sagte Thomas Reiher, Mitbegründer von AMendate und jetzt Director of Generative Design bei MSC.

Fortschrittliche Designtools, die unter Berücksichtigung von AM-Prozessen entwickelt wurden, werden der Schlüssel sein, um diese Herausforderungen zu meistern und eine größere Anzahl innovativer 3D-Druckanwendungen zu ermöglichen.

Einführung von STL-Alternativen

Um ein entworfenes Modell in 3D drucken zu können, müssen Ingenieure normalerweise die ursprüngliche CAD-Datei in STL konvertieren.

STL ist derzeit das beliebteste Dateiformat für den 3D-Druck, das ein dreidimensionales Objekt als eine Reihe verbundener Dreiecke (Polygone) beschreibt. Trotz seiner Popularität weist das Dateiformat viele Einschränkungen auf, die noch deutlicher werden, wenn der 3D-Druck zur Konstruktion komplexer Produktionsteile verwendet wird.

STL liest beispielsweise die Farben, Texturen und andere Designinformationen Ihres Originaldesigns nicht.

Darüber hinaus werden an der STL-Datei vorgenommene Änderungen nicht automatisch in der ursprünglichen Konstruktionsdatei im CAD widergespiegelt, was den Konstruktionsprozess zusätzlich ineffizient macht.

Schließlich besteht beim Modellieren komplexer Geometrien oder Erhöhen der Anzahl von Dreiecken zur Verbesserung der Auflösung die Gefahr, dass die Größe einer STL-Datei drastisch ansteigt, bis sie für 3D-Drucker zu groß ist, um sie zu lesen.

Um diese Herausforderungen zu meistern, arbeitet die Branche an der Entwicklung alternativer Dateiformate. Das bisher vielversprechendste ist 3MF, das vom 3MF-Konsortium entwickelt wurde.

3MF ermöglicht 3D-Druckern das originalgetreue Lesen von CAD-Designdateien mit den Farben, Texturen und anderen Designdaten, die vom ursprünglichen Designer vorgesehen waren. Es soll auch erweiterbar und an die neue 3D-Drucktechnologie anpassbar sein.

Simulationssoftware:Vorhersage von Fehlern zur Verbesserung der Wiederholbarkeit

Simulationssoftware bleibt ein großer Schwerpunkt bei der Entwicklung von 3D-Drucksoftware. Der Hauptgrund dafür ist das Potenzial, den derzeit verwendeten Trial-and-Error-Ansatz zu reduzieren oder sogar zu eliminieren, um wiederholbare 3D-Druckergebnisse zu erzielen.

Simulation wird typischerweise in der Designphase verwendet, um digital zu reproduzieren, wie sich ein Material während des Druckprozesses verhalten würde. Das bedeutet, dass Simulationsergebnisse Aufschluss darüber geben können, wie ein Design optimiert werden könnte, um ein Versagen des Builds zu verhindern.

Heute sind die meisten Simulationslösungen auf den Metall-3D-Druck ausgerichtet. Dies liegt daran, dass die Technologie eine Reihe komplexer technischer Herausforderungen mit sich bringt. Es gibt viele Variablen, die den Aufbau während des Druckprozesses beeinflussen können, zum Beispiel der Weg und die Intensität des Lasers und das Design der Stützstrukturen.

Die Simulation hilft bei der Analyse der komplexen Phänomene, die während des Metall-3D-Druckprozesses auftreten, und verwendet Simulationsdaten, um den Bau zu planen und die erfolgreichsten Teileorientierungs- und Unterstützungsstrategien auszuwählen.

Im Jahr 2019 gibt es viele AM-Simulationslösungen, von größeren Unternehmen wie ANSYS und Siemens bis hin zu kleineren Softwareunternehmen, die ausschließlich AM-dedizierte Lösungen wie Additive Works anbieten.

Ein Beispiel dafür ist das Engineering-Softwareunternehmen ANSYS. Seit Anfang 2019 hat das Unternehmen drei große Updates veröffentlicht, die viele neue Funktionalitäten bieten.

Ein herausragendes Update ist ANSYS Additive Prep. Dieses Tool ist Teil der Softwarepakete ANSYS Additive Suite und ANSYS Additive Print.

Zu seinen Funktionen gehört die Möglichkeit, Heatmaps zu erstellen, mit denen Ingenieure vorhersagen können, wie sich AM-Bauausrichtungen auf Stützstrukturen, Bauzeiten, Verzerrungen und die Gesamtdruckleistung auswirken.

In der neuesten R3-Version wurde ANSYS Additive Prep außerdem um einen neuen Build-Prozessor erweitert, der es Benutzern ermöglicht, eine Build-Datei direkt auf eine AM-Maschine zu exportieren, wodurch die Verwendung einer STL-Datei umgangen wird. Es gibt auch ein Tool, um die Auswirkungen der Wärmebehandlung für 2020 vorherzusagen.

Vor kurzem hat Altair eine neue Fertigungssimulationslösung für AM namens Inspire Print3D auf den Markt gebracht.

Die speziell auf das selektive Laserschmelzen (SLM) ausgerichtete Software soll ein schnelles und genaues Toolset zum Entwerfen und Simulieren des Herstellungsprozesses bieten.

Zu den wichtigsten Softwarefunktionen gehören die Generierung von Stützstrukturen in derselben Umgebung wie das konstruierte Teil, fortschrittliche thermomechanische Simulation, um Nachbearbeitungen zu reduzieren und teure Fehler zu vermeiden, Identifizierung großer Verformungen, übermäßiger Erwärmung und Delamination sowie die Möglichkeit, Dateien zu validieren und fertig zu erstellen für 3D-Druck.

Im Bereich des Polymer-3D-Drucks ist e-Xstream, das 2013 von der MSC Software Corporation übernommen wurde, eines der wenigen Unternehmen, das sich auf Polymer- und Verbundwerkstoff-AM-Technologien konzentriert.

Zur Simulation der FDM- und SLS-Prozesse hat das Unternehmen die Softwarelösung Digimat-AM entwickelt. Das Programm hilft, Druckprobleme wie Verzug vorherzusagen und Verzerrungen zu kompensieren. Darüber hinaus bietet die neueste Version von Digimat 2019.0 auch eine Simulation von faserverstärkten Materialmodellen für Materialsysteme von DSM, Solvay Specialty Polymers und Stratasys Inc.

Als langfristiges Ziel wird sich e-Xstream auf seine Expertise in der Materialmodellierung verlassen, um den Multi-Material-Druck anzugehen.

Die Möglichkeit, Teile beim ersten Mal korrekt in 3D zu drucken, ist einer der Schlüsselfaktoren für eine stärkere Akzeptanz der Technologie. In Zukunft werden wir wahrscheinlich Simulationssoftware mit neuen prozessinternen Überwachungsfunktionen kombinieren. Auf diese Weise können Ingenieure die erwarteten simulierten Ergebnisse mit Echtzeit-Build-Daten bestätigen und letztendlich höhere Druckerfolgsraten erzielen.

Additive Manufacturing Execution Systems:Workflow-Management und Rückverfolgbarkeit ermöglichen

In den letzten Jahren hat sich der 3D-Druck von einem Verfahren, das für das Prototyping und die Herstellung von Kleinserien verwendet wird, zu einer Großserienproduktion verlagert. Dieser Wandel hat den Bedarf an Software aufgezeigt, die Unternehmen dabei helfen kann, die steigenden Produktionsmengen zu bewältigen und ihre AM-Operationen effizienter zu skalieren.

Dies hat zum Aufstieg der Manufacturing Execution System (MES)-Software geführt, die speziell für die Bedürfnisse der AM-Industrie entwickelt wurde.

MES-Software hilft dabei, die Punkte im AM-Workflow zu verbinden, sei es das Auftragsmanagement, die Produktionsplanung oder die Nachbearbeitungsplanung. Das übergeordnete Ziel von MES ist es, die für eine erfolgreiche AM-Produktion erforderliche Kontrolle bereitzustellen, die Maschinenauslastung zu maximieren, eine stärkere Automatisierung einzuführen und die Rückverfolgbarkeit zu erhöhen.

Ein wichtiger Trend, der das Wachstum des MES-Softwaresegments vorantreibt, ist die Notwendigkeit einer End-to-End-Plattform, die flexibel genug ist, um an die individuellen Anforderungen der AM-Abteilungen angepasst zu werden. Derzeit bieten nur sehr wenige Unternehmen eine solche Lösung an.

Einführung der Maschinenkonnektivität

Auch die Vernetzung von Maschinen und Maschinendaten wird zu einer großen Anforderung, da Unternehmen ihre Betriebsabläufe zunehmend digitalisieren. MES-Software wird dabei eine größere Rolle spielen, da sie es ermöglicht, verschiedene 3D-Drucker auf einer Plattform zu verbinden.

AMFG bietet beispielsweise Maschinenkonnektivität mit einer Reihe von AM-Systemen wie EOS und HP. Dies bedeutet, dass Benutzer von AM-Systemen ihren gesamten AM-Betrieb mit dem MES von AMFG verwalten und gleichzeitig über die Softwareplattform eine direkte Verbindung zu ihren Maschinen herstellen können.

Die Verbindung von Maschinen innerhalb einer einzigen Plattform ermöglicht einen nahtlosen Datenfluss, der die Rückverfolgbarkeit und Skalierbarkeit bietet, die erforderlich sind, um AM zur Industrialisierung voranzutreiben.

Die MES-Software integriert auch nach und nach die Funktionen anderer Software. Einige Lösungen bieten beispielsweise die Möglichkeit, STL-Dateien zu reparieren und Modelle für den Druck vorzubereiten.

Ein weiteres Beispiel ist die Integration von Managementfunktionen der Qualitätssicherung (QS). Die MES-Plattform von AMFG beispielsweise ermöglicht es Benutzern, Dokumentationen, sei es Berichte, Datenblätter oder 3D-Bilder, zu importieren und mit dem physischen 3D-gedruckten Teil zu vergleichen, um so sicherzustellen, dass die QS-Anforderungen erfüllt werden.

Wie die Konstruktionssoftware bieten sich MES-Plattformen an, um mit Lösungen der künstlichen Intelligenz (KI) gepaart zu werden.

3D-Druck-Workflows sind sehr datenlastig, d.h. es gibt viele Informationen über Auftragsstatus, Maschinen- und Materialdaten, die nicht nur überwacht und gesammelt, sondern auch analysiert und verarbeitet werden können (und sollen).

Die Integration von KI-Algorithmen ermöglicht es der Software, die gesammelten Daten zu analysieren und Verbesserungsvorschläge für den Produktionsbetrieb vorzuschlagen. Letztendlich kann es einen besseren Einblick in die wichtigsten Engpässe bieten und wie der Prozess optimiert werden kann, um eine höhere Produktivität zu erzielen.

Qualitätssicherungssoftware 

Zahlreiche Unternehmen arbeiten daran, 3D-gedruckte Teile für den Einsatz in der Produktion zu qualifizieren. Derzeit sind die beiden gängigsten Methoden zur Zertifizierung eines Teils, das die QS-Anforderungen erfüllt – zerstörende Prüfung und CT-Scannen – teuer, zeitaufwändig, verschwenderisch und liefern nicht immer genaue Ergebnisse.

Der effizientere Weg, den QS-Prozess zu unterstützen, ist die prozessbegleitende Überwachung. Typischerweise umfasst die In-Prozess-Überwachung die Kombination von Sensoren und Kameras, die in einem 3D-Drucker platziert sind, mit einer Software, die die von Sensoren gesammelten Daten analysieren und auf sinnvolle Weise bereitstellen kann.

Ein Unternehmen, das eine solche Kombination anbietet, ist Sigma Labs. Sein Softwarepaket namens PrintRite3D® enthält die Module INSPECT, CONTOUR und ANALYTICS. Das INSPECT-Modul kann beispielsweise das Schmelzbad (das Schmelzbad, das während des Aufheizens des Pulvers durch den Laser entsteht) messen, um Anomalien zu erkennen und vorherzusagen.

Die PrintRite3D-Software von Sigma Lab ist eine der wenigen Lösungen von Drittanbietern. In den meisten Fällen entwickeln Hersteller von Metall-3D-Druckern QS-Software im eigenen Haus. Allerdings ist die Zahl der mit QS-Software integrierten Maschinen immer noch enttäuschend gering.

Es gibt beispielsweise EOS 3D-Drucker mit dem EOSTATE MeltPool-Tool und den Sapphire 3D-Drucker von VELO3D, der kürzlich in die neue Assure-Software integriert wurde.

Qualitätssicherung wird zum neuen Schlagwort in der AM-Welt, da Unternehmen die Teilevalidierung beschleunigen und letztendlich Schwankungen im Druckprozess reduzieren möchten. Das bedeutet, dass es mehr QS-Softwarelösungen geben sollte – und dieser Trend nimmt bereits langsam Gestalt an.

AM-Software im Rampenlicht:Ein schnell reifendes Segment 

Im Vergleich zu Hardware war die Entwicklung von Software für AM in der Vergangenheit langsamer. Es gab auch eine viel kleinere Anzahl von AM-Softwareunternehmen, was sich auf den Innovationsgrad in diesem Segment ausgewirkt hat.

Dies hat sich jedoch in den letzten Jahren dramatisch geändert, da die Industrie immer weiter reift und fortschrittlichere Lösungen auf den Markt kommen. Von CAD über Simulation bis hin zu Workflow-Lösungen wird die Software entwickelt, um AM schneller und einfacher in die Produktion zu bringen.

In Zukunft wird sich dieser Fortschritt wahrscheinlich beschleunigen und AM dabei unterstützen, eine echte digitale Fertigungslösung zu werden.