Altair-Experte Ravi Kunju diskutiert fortschrittliche Simulationssoftware für 3D-Druck

Ein einfacherer und schnellerer Design-Vorbereitungs-Workflow war ein fortlaufender Quest in der 3D-Druck-Industrie. Design für Additive Fertigung ist ein komplexer Prozess mit einzigartigen Herausforderungen und Chancen.

Daher braucht es relevante Tools, um Ingenieure in die Lage zu versetzen, die Designflexibilität von AM voll auszuschöpfen. Altair ist ein solches Unternehmen, das diese Lösungen entwickelt. Altair ist ein globales Technologieunternehmen, das Software und Cloud-Lösungen in den Bereichen Produktentwicklung, High-Performance Computing und Data Analytics anbietet.

In dieser Woche im Experteninterview sprechen wir mit Ravi Kunju, Sr. VP Business Development & Strategy, Simulation-Driven Design, bei Altair. Mit Ravi erfahren wir mehr über das kürzlich eingeführte Altair Inspire Print3D Software-Tool, den aktuellen Stand der Simulationssoftware für 3D-Druck und erkunden einige der spannenden AM-Anwendungen, die durch Altair-Lösungen ermöglicht werden.

Könnten Sie uns etwas über Altair und die Herausforderungen erzählen, die Sie lösen?

Wir sind ein globales Technologieunternehmen, das Software und Cloud-Lösungen in den Bereichen Produktdesign, Produktentwicklung, High-Performance Computing und Data Analytics anbietet.

Unsere Vision – und was wir in den 30+ Jahren unseres Bestehens tun – ist, Produkt- und Geschäftsentscheidungen durch unsere Simulationstechnologie, Data-Analytics-Lösungen und unsere branchenführenden Design-Optimierungslösungen zu transformieren.

Ich bin verantwortlich für die simulationsgetriebenen Designprodukte bei Altair.

Sie haben kürzlich Altair Inspire Print3D Software eingeführt. Könnten Sie die verschiedenen Softwarelösungen erklären, die Sie anbieten?

Altair Inspire Print3D ist nur eine von vielen Lösungen, die wir anbieten. Altair ist seit vielen Jahren führend im Bereich Optimierung. Kunden nutzen unsere Optimierungstechnologie, um Designs für alle Arten von Fertigungsverfahren zu erstellen – ob Blechumformung, Gießen, Extrusion oder Spritzguss. Sie nutzen unsere Technologie auch, um Leistungsanforderungen besser zu verstehen und generative Designs speziell für einen Fertigungsprozess zu erstellen. In diesem Kontext ist es wichtig, die beiden Enden des Spektrums zu verstehen. Eines treibt das Design an, das andere passiert, sobald man ein Design hat, das man fertigen möchte. Diese Elemente kommen auf unserer Plattform zusammen. Eines der Dinge, die wir mit unserer Inspire-Plattform getan haben, ist, den simulationsgetriebenen Designprozess nach vorne zu bringen und ihn für Designer sehr einfach verständlich und steuerbar zu machen, während man完全 den Fertigungsprozess im Blick behält. Da es nicht ratsam ist, den Fertigungsprozess von den Designanforderungen zu trennen, haben wir all das in einer einzigen Umgebung auf unserer Plattform vereint.

Inspire Print3D fokussiert sich auf zwei Dinge. Erstens: Unter der Inspire-Plattform ermöglicht es unseren Nutzern, Designs spezifisch für jeden AM-Prozess zu generieren – unter Verwendung spezifischer Fertigungsregeln (Constraints), die das Design so steuern, dass es dem Fertigungsprozess entspricht. Zweitens: Alle Leistungsanforderungen zu nehmen, sie zu kombinieren und fortschrittliche numerische Methoden zu nutzen, um automatisch ein Design für Selektives Laserschmelzen (SLM), Fused Deposition (FDM), Binder Jetting (MJF) oder Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) zu generieren.

Das Print3D-Modul erlaubt nicht nur, das Design zu generieren, sondern hilft auch, die Leistung des neu erstellten Designs virtuell zu validieren.

Simulation mit Altairs Inspire Print3D Software [Bildnachweis: Altair]

Die erste Version von Print3D erlaubt dem Nutzer, den Selektiven Laserschmelzprozess zu simulieren. Eine fortschrittliche thermomechanische Simulation ist in dieser Umgebung eingebettet, um Fertigungsprobleme zu evaluieren, die beim 3D-Druck auftreten können – wie Verzug, hohe Spannungen und damit verbundene Risse. Designer können das Design generieren, Stützstrukturen hinzufügen und alle Probleme in einer einzigen Umgebung beheben, bevor sie zum Druck gehen. Der größte Vorteil: Heute haben Kunden in AM meist einen suboptimalen Ansatz, um ein optimales Design zu erstellen. Zudem versuchen sie, nach einem Design Stützstrukturen einzufügen, um sicherzustellen, dass sie das Teil drucken können, und entdecken später, dass sie Probleme haben. Für all diese Schritte gibt es separate Softwarelösungen.

Altair eliminiert all das, indem es Nutzern ermöglicht, ein Teil in einer einzigen Umgebung zu designen und zu evaluieren. Es ist bekannt, dass rund 45 % der Kosten, die mit Metall-AM heute verbunden sind, auf Stützentfernung zurückzuführen sind. Der effektive Einsatz unserer Designregeln (Constraints) ermöglicht Endnutzern, Designs mit minimalen oder null Stützen zu erstellen. Wir erlauben auch, Stützstrukturen zu erstellen, ihre Wirksamkeit durch die thermomechanische Simulation zu verstehen – wir können den Bau, Abkühlung, Stützentfernung und den darauffolgenden Federback und zugehörigen Verzug simulieren und nachgelagerte Ausfälle vermeiden. Das macht Inspire Print3D: Es erlaubt Endnutzern, zu ideieren, zu evaluieren und zu validieren – in einer einzigen Umgebung. Altair Inspire hilft Endnutzern, leichte und hochperformante Designs zu erstellen, während gleichzeitig die Produktivität verbessert wird.

Wie würden Sie den aktuellen Stand von Design, Simulation und Topologieoptimierungssoftware für AM beschreiben?

Altair ist seit Jahren führend in Topologieoptimierung und generativem Design – nicht nur für additive, sondern für alle Fertigungsprozesse. Wir haben mehr als 5.000 Kunden, die unsere Produkte täglich nutzen, um optimale Designs zu erstellen. Aber nicht alle generativen Designtools sind gleich. Wir haben die besten numerischen Methoden, um Schlüsselprobleme zu lösen, und wir sind die Einzigen, die verschiedene Leistungskriterien, Lastfälle zusammennehmen und mit Fertigungsconstraints kombinieren, um Designs zu erstellen, die sehr spezifisch für diesen Designprozess sind. Um ein Design zu treiben und zu generieren, müssen zwei Dinge gut verstanden werden: Leistungsanforderungen und der Fertigungsprozess. Beispiel: Wenn Sie Metallguss machen und keine Kerne wollen, die opferhaft und teuer sind, oder eine Form ohne Unterschnitte für effizientes Entformen erstellen wollen – die richtigen Fertigungsconstraints müssen mit Leistungsfertigung kombiniert werden, um leichte Designs zu generieren. Es gibt viele Tools, die organische Designs generieren können, und Leute neigen zu denken, das sei alles, was nötig ist. Aber tatsächlich ist das erst der Anfang, weil man sicherstellen will, dass man die Fertigungsprozesse versteht und was das optimale Design für einen gegebenen Prozess ist. Nur eine optimale Form zu generieren, reicht nicht, wenn man die Fertigungsanforderungen nicht versteht. Im generativen Designraum gibt es viele numerische Ansätze – man kann Designvariablen perturbieren und Tausende Designs generieren, dann jeden evaluieren und den besten identifizieren. Das kann suboptimal, zeitaufwändig und teuer für bestimmte Bauteilebenen-Optimierung sein. Man bekommt vielleicht keine gute Lösung. Auf der Simulationsseite war AM vorwiegend auf Prototyping beschränkt. Aber Altair ist auf der Quest, Kunden zu helfen, den Prozess zu transformieren, um mehr als Einzelstücke zu machen. Können wir andere Methoden wie Binder Jetting erkunden? Hybrid-Guss, wo man Sand druckt und dann Guss in Sandformen gießt? Können wir einige dieser Optionen erkunden, um Kapazität in Kapazität umzuwandeln?

Das war unsere Quest, die einzigartigen Fertigungsanforderungen tief zu verstehen. Heute sind wir führend bei der Erstellung hochperformanter Leichtbauteile sowie Werkzeuge und Baugruppen, unter Verwendung neuester Design-for-Manufacturing-Methoden.

Können Sie über einige Anwendungen sprechen, die teilweise dank Ihrer Designsoftware erreicht wurden?

Die frühesten Anwender waren Satelliten- und Luftfahrtunternehmen, weil sie keine großen Volumen hatten, aber hochoptimierte, leichte Designs brauchten. Wir designeten einen Teleskophalter und andere Halter mit EOS für EADS, wo komplexe Lasten ins Spiel kamen.

Wir arbeiten auch mit Automobilunternehmen, einschließlich BMW, Ford, GM und vielen anderen weltweit, die additive Fertigung als machbare Option für Prototyping erkunden. Wenn ich es herunterbreche: Wir sehen nicht nur direkten 3D-Druck, sondern auch eine Fülle von Hybridfertigung, wo traditionelle Fertigung mit additiver kombiniert wird. Was ich damit meine: Zum Beispiel Sand-3D-Druck von Kernen und Formen für Guss.

Der zweite Bereich: Formen für Kunststoffspritzguss. Es ist wichtig, dass die Formmontage, die die Kavität bildet, sich während des Druckzyklus nicht trennt und Grat erzeugt, der entfernt werden muss. Die gesamte Form kann strukturell mit generativem Design optimiert werden, um die Integrität unter Last zu wahren. Zusätzlich zur strukturellen Optimierung können wir auch für Wärmeentzug optimieren – mit konformen Kühlkanälen, die sich um Bereiche wickeln, die schnelle Kühlung brauchen. Solche organischen Strukturen sind ideal für 3D-Druck. Wir arbeiten mit PROTIQ an diesen Beispielen, wo man von fast 9 Sekunden Zykluszeit auf 3 Sekunden gehen kann. Wenn Sie eine Million Teile pro Tag machen, können Sie dann 3 Millionen pro Tag machen – Produktivität verdreifacht, Optimierung der Form für Spritzgussprozess.

Wir arbeiten auch mit der Robotikindustrie, die zahlreiche Anwendungen hat, wo Designoptimierung und 3D-Druck für Roboter-Greifer am Ende des Arms eingesetzt werden. Greifer nutzen sich schnell ab und müssen sofort ersetzt werden, um Montagelinienunterbrechungen zu verhindern. Für extrem große Strukturen haben wir kürzlich mit MX3D an einem 3D-gedruckten Roboterarm kollaboriert. MX3D ist ein 3D-Druckunternehmen, das proprietäre Drahtlichtbogentechnologie nutzt, um große Metallstrukturen herzustellen.

MX3Ds RobotArm optimiert mit Altairs Software [Bildnachweis: Altair]

Unsere Software ermöglichte MX3D, das Roboterarm-Design zu optimieren, um mehr als die Hälfte des ursprünglichen Gewichts zu reduzieren, während Druckconstraints berücksichtigt wurden. Für dieses Projekt nutzten unsere Ingenieure Generative Design Customisation, um die effizienteste Form für den 3D-gedruckten Roboterarm zu finden. Es gibt auch viele Verteidigungsanwendungen, die von 3D-Druck profitieren können. Beispiel: Wenn Teil eines Kampffahrzeugs bricht, will man es lokal sofort drucken, ohne auf Ersatzteil zu warten. Besonders bei Legacy-Teilen, für die man keine Zeichnungen hat. Unsere Lösungen werden auch im medizinischen 3D-Druck eingesetzt. Beispiel: Andiamo, ein Orthopädie-Unternehmen, nutzt 3D-Druck, um besser passende Orthesen herzustellen. Der traditionelle Weg: Glied oder Torso in Gips wickeln, abschneiden, zur manuellen Fertigung schicken. Andiamos Prozess eliminiert Gipsabdrücke – startet mit digitalem 3D-Scan des Körpers, erstellt hochgenaues Modell zum Designen drumherum. Der Prozess beinhaltet auch zahlreiche Simulationen, um perfekte Passform für ein Kind zu garantieren. Wir sehen auch wachsendes Interesse an 3D-Druckprozessen wie Binder Jetting. Wir arbeiten mit Partnern wie Desktop Metal und ExOne. Wir präsentierten Binder-Jetting-Anwendungen auf Formnext, wo wir den ganzen Prozess eines Fahrradhalters mit FDM, SLM, Hybrid-Guss und Binder Jetting durchgingen.

Betrachtet man die Industrie allgemein – was sehen Sie als Schlüsseler Entwicklungen für 2020?

Die Industrie bewegt sich sehr schnell. Wenn man zu AM-Events geht, ist klar, dass die Anzahl der Druckerhersteller und Materiallieferanten sich fast jährlich verdoppelt. Mit zunehmendem Wettbewerb bin ich sehr zuversichtlich, dass die Kosten sinken werden – ein großer Abschreckungsfaktor auf der additiven Fertigungsseite derzeit. Die zunehmende Anzahl an Akteuren wird wahrscheinlich dem Endverbraucher helfen.

Schauen Sie auf die Dentalindustrie – eine der ausgereiftesten. Wenn ein Verbraucher eine neue Krone braucht, scannt der Zahnarzt den Zahn und sendet den Scan zum Drucken in 2-3 Tagen. Dieser Zyklus muss in anderen Branchen ebenfalls erreicht werden. Und das wird 2020 jeder anstreben.

Gibt es Herausforderungen, die noch überwunden werden müssen, um die Adoption von 3D-Druck weiter zu beschleunigen?

Es gibt eine Reihe von Herausforderungen, die miteinander verwoben sind. Nummer eins: Kosten. Kosten hängen offensichtlich von Teilgröße und Produktionsvolumen ab, die bestimmen, welche Fertigungsmethode genutzt werden sollte. Selbst innerhalb von additiver Fertigung könnte man entweder Selektives Laserschmelzen oder Metall-Binder-Jetting wählen. Zweiter Aspekt: Zertifizierung. Wie können wir ein Teil zertifizieren, je nachdem, ob es ein tragendes oder sicherheitskritisches Teil ist? Und wie hoch ist die Wiederholbarkeit? Heute ist die Herausforderung, dass wir Kosten nicht kontrollieren können und niedrige Wiederholbarkeit haben. Wenn ein Teil auf einem bestimmten Drucker gedruckt wird – kann man dieselben Spezifikationen erreichen, wenn es auf einem anderen Drucker an einem anderen Ort gedruckt wird? Wie hoch sind die Chancen, dass sich die Teile exakt gleich verhalten? Das ergibt die Herausforderung, die Physik auf Mikroebene genau zu modellieren. Das wirft die Frage auf, ob Nutzer sicher sein können, dass das finale Teil konsistent über verschiedene Plattformen und Standorte gedruckt werden kann. Es gibt so viel Arbeit bei der Etablierung branchenweiter Standards und Materialqualifizierung. Materiallieferanten, Druckerhersteller, Softwareanbieter – alle müssen zusammenkommen, um bestimmte Standards festzulegen: akzeptable Toleranzen für leicht oder stark belastete sicherheitskritische Teile; innere Porosität und/oder äußere Oberflächenqualität. Schaut man in die Geschichte – ob Guss, Schmieden oder Blech – über Jahre hatten sie alle einen Verband, wie die American Foundry Society. Es gibt viele Organisationen, die alle zusammenbringen und Standards schaffen. Heute explodiert der AM-Markt in allen Bereichen, aber irgendwann muss alles zusammenkommen, um kollektiv Standards zu schaffen und sicherzustellen, dass jeder Branchenakteur auf derselben Seite steht.

Zum Schluss: Was hält das kommende Jahr für Altair bereit?

Wir werden weiterhin mehr Simulationslösungen für unsere Nutzer entwickeln. Für additive Fertigungsprozesse werden wir Lösungen entwickeln, die Technologienutzern helfen, den Prozess zu validieren und die Unsicherheiten zu verstehen, die damit einhergehen. Letztlich fokussieren wir uns auf drei Hauptpfeiler: Leistungsverständnis, Design erstellen durch Kombination von zwei Dingen – Leistung und Fertigungsprozess selbst. Die müssen Hand in Hand gehen, und wir werden unsere Mission fortsetzen, Kunden zu helfen, Leistung und Fertigungsprozess so genau wie möglich zu validieren, um Designs voranzutreiben. Wir werden Physik mit High-Performance Computing und Daten kombinieren. Wir müssen all das zusammenbringen, weil manche Probleme man durch Physikverständnis lösen kann, andere durch Machine Learning. Wir werden streben, all unsere entwickelten Technologien zu kombinieren, um Dinge effizienter und profitabler für unsere Kunden zu machen – mit dem Endziel, ihnen zu helfen, bessere Entscheidungen und bessere Produkte zu machen.