Altair-Experte Ravi Kunju spricht über fortschrittliche Simulationssoftware für den 3D-Druck

Die Erreichung eines einfacheren und schnelleren Arbeitsablaufs bei der Designvorbereitung ist ein kontinuierliches Bestreben in der 3D-Druckbranche. Das Entwerfen für die additive Fertigung ist ein komplexer Prozess mit einzigartigen Herausforderungen und Chancen.

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‍ Daher sind entsprechende Tools erforderlich, damit Ingenieure die Designflexibilität von AM voll ausschöpfen können. Altair ist ein solches Unternehmen, das diese Lösungen entwickelt. Altair ist ein globales Technologieunternehmen, das Software- und Cloud-Lösungen in den Bereichen Produktentwicklung, Hochleistungsrechnen und Datenanalyse anbietet.

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Im Experteninterview dieser Woche 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-Softwaretool, den aktuellen Stand der Simulationssoftware für den 3D-Druck, und erkunden einige der spannenden AM-Anwendungen, die Altair-Lösungen ermöglichen.

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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, Hochleistungsrechnen und auch Datenanalyse anbietet.

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Unsere Vision und das, was wir in den über 30 Jahren unserer Geschäftstätigkeit getan haben, ist es, die Produkt- und Geschäftsentscheidungsfindung durch unsere Simulationstechnologie, unsere Datenanalyselösungen und auch unsere branchenführenden Designoptimierungslösungen zu transformieren.

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Ich bin für die simulationsgesteuerten Designprodukte von Altair verantwortlich.

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Sie haben kürzlich die Altair Inspire Print3D-Software auf den Markt gebracht. Könnten Sie die verschiedenen Softwarelösungen erläutern, die Sie anbieten?

Altair Inspire Print3D ist nur eine von vielen Lösungen, die wir anbieten. Altair ist seit vielen Jahren führend im Bereich Optimierung. Wir haben Kunden, die unsere Optimierungstechnologie nutzen, um ihre Designs für alle Arten von Herstellungsverfahren zu erstellen – sei es Blechumformung, Gießen, Extrudieren oder Spritzgießen. Sie nutzen unsere Technologie auch, um die Leistungsanforderungen besser zu verstehen und generative Designs speziell für einen Fertigungsprozess zu erstellen. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die beiden Enden des Spektrums zu verstehen. Das eine ist, was das Design vorantreibt, und das andere, was passiert, wenn Sie ein Design haben, das Sie herstellen möchten. Diese Elemente kommen auf unserer Plattform zusammen. Eines der Dinge, die wir mit unserer Inspire-Plattform gemacht haben, besteht darin, den simulationsgesteuerten Designprozess in den Vordergrund zu rücken und es den Designern sehr einfach zu machen, Designs zu verstehen und voranzutreiben, während sie gleichzeitig über den Herstellungsprozess vollständig informiert sind. Da es nicht ratsam ist, den Herstellungsprozess von den Designanforderungen zu trennen, haben wir sie alle über unsere Plattform in einer einzigen Umgebung zusammengefasst.

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Daher konzentriert sich Inspire Print3D auf zwei Dinge. Erstens können unsere Benutzer mit der Inspire-Plattform Designs speziell für jeden AM-Prozess erstellen. Verwendung spezifischer Herstellungsregeln (Einschränkungen), die das Design so steuern, dass es dem Herstellungsprozess entspricht. Zweitens müssen alle Leistungsanforderungen kombiniert und mithilfe fortschrittlicher numerischer Methoden automatisch ein Design für entweder selektives Laserschmelzen (SLM), Schmelzauftrag (FDM), Binder Jetting (MJF) oder additive Fertigung mit Drahtlichtbogen (WAAM) generiert werden.

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Das Print 3D-Modul ermöglicht Ihnen also nicht nur die Erstellung des Designs, sondern hilft auch bei der virtuellen Validierung der Leistung des neuen Designs, das Sie erstellt haben.

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Simulation durch Altairs Inspire Print3D-Software [Bildnachweis:Altair]

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Die erste Version von Print3D ermöglicht es dem Benutzer, den selektiven Laserschmelzprozess zu simulieren. In diese Umgebung ist eine fortschrittliche thermomechanische Simulation eingebettet, um alle Herstellungsprobleme zu bewerten, die beim 3D-Druck auftreten können, wie z. B. Verformungen, hohe Spannungen und damit verbundene Brüche. Die Designer können das Design erstellen, die Stützstrukturen hinzufügen und alle Probleme in einer einzigen Umgebung beheben, bevor sie in den Druck gehen. Der größte Vorteil, den wir sehen, besteht darin, dass Kunden heute, wenn man sich anschaut, was sie in AM tun, normalerweise einen suboptimalen Ansatz für die Erstellung eines optimalen Designs verfolgen. Sobald sie einen Entwurf ausgearbeitet haben, versuchen sie außerdem, Stützstrukturen einzubauen, um sicherzustellen, dass sie das Teil drucken können, und stellen dann später fest, dass sie Probleme haben. Für alle diese Schritte gibt es separate Softwarelösungen.

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Altair eliminiert all das, indem es Benutzern ermöglicht, ein Teil in einer einzigen Umgebung zu entwerfen und zu bewerten. Es ist allgemein bekannt, dass rund 45 Prozent der Kosten, die heute mit Metall-AM verbunden sind, auf die Entfernung von Stützstrukturen zurückzuführen sind. Durch die effektive Nutzung unserer Designregeln (Einschränkungen) können Endbenutzer Designs erstellen, die nur minimale oder gar keine Unterstützung haben. Wir ermöglichen Benutzern auch, Stützstrukturen zu erstellen und deren Wirksamkeit durch thermomechanische Simulation zu verstehen. Dabei können wir den Aufbau, die Abkühlung und die Entfernung der Stützen simulieren, die anschließende Rückfederung und die damit verbundene Verformung vorhersagen und nachgelagerte Ausfälle vermeiden. Genau das macht Inspire Print3D:Es ermöglicht Endbenutzern, in einer einzigen Umgebung Ideen für Ihr Design zu entwickeln, zu bewerten und zu validieren. Altair Inspire hilft unseren Endbenutzern somit, leichte und leistungsstarke Designs zu erstellen und gleichzeitig die Produktivität zu verbessern.

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Wie würden Sie den aktuellen Stand der Design-, Simulations- und Topologieoptimierungssoftware für AM beschreiben?

Altair ist seit einigen Jahren führend in der Topologieoptimierung und im generativen 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 verfügen über die besten numerischen Methoden zur Lösung wichtiger Probleme und sind die Einzigen, die verschiedene Leistungskriterien und Lastfälle zusammenfassen und mit Fertigungsbeschränkungen kombinieren, um Designs zu erstellen, die sehr spezifisch für diesen Designprozess sind. Um ein Design voranzutreiben und zu generieren, müssen zwei Dinge gut verstanden werden:Leistungsanforderungen und der Herstellungsprozess. Wenn Sie beispielsweise Metallguss betreiben und keine Kerne haben möchten, die aufwendig und teuer sind, oder wenn Sie eine Form ohne Hinterschneidungen erstellen möchten, um Muster effizient aus dem Formhohlraum zu entfernen; Um ein Leichtbaudesign zu erzielen, müssen die richtigen Fertigungsbeschränkungen mit einer leistungsstarken Fertigung kombiniert werden. Es gibt viele Tools, die ein organisches Design erzeugen können, und die Leute neigen dazu zu denken, dass dies alles ist, was nötig ist. Tatsächlich ist das jedoch erst der Anfang, denn Sie möchten sicherstellen, dass Sie die Herstellungsprozesse verstehen und wissen, wie das optimale Design für einen bestimmten Prozess aussehen sollte. Es reicht nicht aus, nur eine optimale Form zu erzeugen, wenn Sie die Herstellungsanforderungen nicht verstehen. Im Bereich des generativen Designs gibt es viele numerische Ansätze, die Sie verwenden können; Sie können beispielsweise einige Designvariablen verändern und Tausende von Designs generieren und dann sagen:„Ich werde all diese verschiedenen Formen und Größen variieren und das wird mir tausend Designs geben, jedes einzelne bewerten und dann das beste identifizieren.“ Dies kann für die Optimierung auf bestimmter Komponentenebene suboptimal, zeitaufwändig und teuer sein. Möglicherweise erhalten Sie keine gute Lösung. Auf der Simulationsseite beschränkt sich AM heute überwiegend auf die Prototypenerstellung. Aber Altair ist bestrebt, seinen Kunden dabei zu helfen, den Prozess so zu transformieren, dass mehr als nur Einzelstücke hergestellt werden. Können wir andere Methoden wie das Binder Jetting erkunden? Können wir uns mit Hybridguss befassen, bei dem Sanddruckverfahren durchgeführt und die Gussteile dann in eine Sandform gegossen werden? Können wir einige dieser Optionen untersuchen, um Ihre Fähigkeiten in Kapazität umzuwandeln?

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Das war unser Bestreben, die einzigartigen Fertigungsanforderungen tiefgreifend zu verstehen. Heute sind wir führend in der Herstellung leistungsstarker Leichtbauteile sowie von Werkzeugen und Montagen unter Verwendung der neuesten Design- und Fertigungsmethoden.

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

Die ersten Anwender waren die Satelliten- und Luft- und Raumfahrtunternehmen, da sie keine großen Stückzahlen hatten, aber hochoptimierte und leichte Designs benötigten. Für EADS haben wir mit EOS eine Teleskophalterung und weitere Halterungen entworfen, bei denen komplexe Lasten zum Tragen kamen.

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Wir arbeiten auch mit Automobilunternehmen zusammen, darunter BMW, Ford, GM und einer Vielzahl anderer Unternehmen auf der ganzen Welt, die die additive Fertigung als praktikable Option für die Prototypenherstellung erforschen. Wenn ich es aufschlüssele, sehen wir nicht nur den direkten 3D-Druck, sondern auch eine Fülle von Hybridfertigungen, bei denen traditionelle Fertigung mit additiver Fertigung kombiniert wird. Damit meine ich zum Beispiel den Sand-3D-Druck von Kernen und Gussformen.

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Der zweite Bereich sind Formen für den Kunststoffspritzguss. Es ist wichtig, dass sich die Formbaugruppe, die den Hohlraum bildet, während des Druckbeaufschlagungszyklus nicht trennt, was zu Graten führt, die entfernt werden müssen. Die gesamte Form kann durch generatives Design strukturell optimiert werden, um die Integrität unter den Belastungen aufrechtzuerhalten. Zusätzlich zur strukturellen Optimierung können wir auch die Wärmeabfuhr durch konforme Kühlleitungen optimieren, die Bereiche umschließen, die eine schnelle Kühlung erfordern. Solche organischen Strukturen sind ideal für den 3D-Druck. Wir arbeiten mit PROTIQ an diesen Beispielen, bei denen Sie die Zykluszeit von fast 9 Sekunden auf 3 Sekunden steigern können. Wenn Sie also eine Million Teile pro Tag herstellen, können Sie dann 3 Millionen Teile pro Tag herstellen. Dies bedeutet, dass Sie Ihre Produktivität verdreifachen können, indem Sie die Form für den Spritzgussprozess optimieren.

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Wir arbeiten auch mit der Robotikindustrie zusammen, die über zahlreiche Anwendungen verfügt, bei denen Designoptimierung und 3D-Druck für Roboter-Endarmgreifer eingesetzt werden. Die Greifer verschleißen sehr schnell und müssen daher sofort ausgetauscht werden, um Störungen am Fließband zu vermeiden. Für extrem große Strukturen haben wir kürzlich mit MX3D an einem 3D-gedruckten Roboterarm zusammengearbeitet. MX3D ist ein 3D-Druckunternehmen, das proprietäre Drahtlichtbogentechnologie zur Herstellung großer Metallstrukturen nutzt.

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MX3Ds RobotArm optimiert mit Hilfe der Altair-Software [Bildnachweis:Altair]

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Unser softwaregestütztes MX3D optimiert das Design des Roboterarms, um mehr als die Hälfte des ursprünglichen Gewichts zu reduzieren und gleichzeitig Druckbeschränkungen zu berücksichtigen. Für dieses Projekt nutzten unsere Ingenieure die generative Designanpassung, um die effizienteste Form für den 3D-gedruckten Roboterarm zu entwickeln. Es gibt auch viele Verteidigungsanwendungen, die vom 3D-Druck profitieren können. Wenn beispielsweise ein Teil eines Kampffahrzeugs kaputt geht, möchten Sie dieses Teil sofort vor Ort drucken können, ohne auf die Ankunft eines Ersatzteils warten zu müssen. Dies gilt insbesondere für ältere Teile, für die Sie möglicherweise keine Zeichnungen haben. Auch im Bereich des medizinischen 3D-Drucks kommen unsere Lösungen zum Einsatz. Andiamo, ein Orthesenunternehmen, nutzt beispielsweise den 3D-Druck, um besser sitzende Orthesen herzustellen. Die traditionelle Art, eine Orthese herzustellen, besteht darin, ein Glied des Rumpfes mit Gips zu umwickeln, das dann abgeschnitten und zur manuellen Herstellung geschickt wird. Der Prozess von Andiamo macht Gipsabdrücke überflüssig und beginnt stattdessen mit einem digitalen 3D-Scan des Körpers, wodurch ein hochpräzises Modell erstellt wird, um das herum entworfen werden kann. Der Prozess beinhaltet auch zahlreiche Simulationen, um eine perfekte Passform für ein Kind zu gewährleisten. Wir sehen auch ein zunehmendes Interesse an 3D-Druckverfahren wie dem Binder Jetting. Wir arbeiten mit einigen unserer Partner in diesem Bereich zusammen, wie Desktop Metal und ExOne. Auf der Formnext haben wir Binder-Jetting-Anwendungen vorgestellt, wo wir den gesamten Prozess der Herstellung einer Fahrradhalterung mit FDM, SLM, Hybrid-Casting und Binder-Jetting-Verfahren durchlaufen haben.

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Wenn Sie die Branche allgemeiner betrachten, was sind Ihrer Meinung nach einige der wichtigsten Entwicklungen für 2020?

Die Branche bewegt sich sehr schnell. Immer wenn ich AM-Veranstaltungen besuche, fällt mir auf, dass sich die Zahl der Druckerhersteller und Materiallieferanten von Jahr zu Jahr fast verdoppelt. Da der Wettbewerb zunimmt, bin ich sehr zuversichtlich, dass die Kosten sinken werden, was derzeit eine große Abschreckung für die additive Fertigung darstellt. Die zunehmende Anzahl an Spielern wird wahrscheinlich dem Endverbraucher helfen.

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Schauen Sie sich zum Beispiel die Dentalbranche an. Es ist eines der ausgereiftesten, denn wenn ein Verbraucher eine neue Krone reparieren lassen möchte, macht sein Zahnarzt einfach einen Scan des Zahns und sendet den Scan innerhalb von 2-3 Tagen zum Ausdrucken. Dieser Zyklus muss auch in anderen Branchen erreicht werden. Und das ist es, wonach auch im Jahr 2020 alle streben.

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Gibt es Ihrer Meinung nach noch Herausforderungen, die bewältigt werden müssen, um die Einführung des 3D-Drucks weiter zu beschleunigen?

Es gibt eine Reihe von Herausforderungen, die miteinander verflochten sind. Nummer eins sind die Kosten. Die Kosten hängen offensichtlich von der Größe des Teils und dem Produktionsvolumen ab, die bestimmen, welche Art von Fertigungsmethode verwendet werden sollte. Auch im Bereich der additiven Fertigung möchten Sie vielleicht zum Beispiel entweder auf selektives Laserschmelzen oder auf Metall-Binder-Jetting zurückgreifen. Der zweite Aspekt ist die Zertifizierung. Wie können wir ein Teil zertifizieren, je nachdem, ob es sich um ein tragendes Teil oder ein sicherheitskritisches Teil handelt? Und wie hoch ist die Wiederholgenauigkeit? Heutzutage besteht die Herausforderung darin, dass wir die Kosten nicht kontrollieren können und die Wiederholgenauigkeit gering ist. Wenn ein Teil in einem bestimmten Drucker gedruckt wird, können dann dieselben Spezifikationen erreicht werden, wenn das Teil von einem anderen Drucker und an einem anderen Ort gedruckt wird? Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Teile genau gleich verhalten? Daraus ergibt sich die Herausforderung, die auf der Mikroebene ablaufende Physik genau modellieren zu können. Dies wirft die Frage auf, ob Benutzer darauf vertrauen können, dass das Endteil auf verschiedenen Plattformen und an verschiedenen Standorten konsistent gedruckt werden kann. Es gibt noch viel zu tun, um branchenweite Standards und Materialqualifikationen zu etablieren. Materiallieferanten, Druckerhersteller, Softwareanbieter – alle müssen zusammenkommen, um bestimmte Standards im Hinblick auf akzeptable Toleranzen für leicht oder stark belastete sicherheitskritische Teile festzulegen; hinsichtlich der Erfüllung der inneren Porosität und/oder der äußeren Oberflächenqualität. Wenn man sich die Geschichte anschaut, sei es Guss, Schmieden oder Blech, ist im Laufe der Jahre mit ihnen allen eine Vereinigung verbunden, wie zum Beispiel die American Foundry Society. Es gibt viele Organisationen, die sich dafür einsetzen, alle zusammenzubringen und Standards zu schaffen. Heutzutage explodiert der AM-Markt in allen Bereichen, aber irgendwann muss alles zusammenkommen, um gemeinsam Standards zu schaffen und sicherzustellen, dass alle Akteure der Branche auf dem gleichen Stand sind.

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Abschließend:Was hält das kommende Jahr für Altair bereit?

Wir werden weiterhin weitere Simulationslösungen für unsere Benutzer entwickeln. Was die additiven Fertigungsprozesse betrifft, werden wir weiterhin Lösungen entwickeln, die Technologieanwendern helfen, den Prozess zu validieren und die damit verbundenen Unsicherheiten zu verstehen. Letztendlich konzentrieren wir uns auf drei Hauptpfeiler:Leistung verstehen, ein Design durch die Kombination zweier Dinge erstellen; Leistung und den Herstellungsprozess selbst. Sie müssen alle Hand in Hand gehen, und wir werden weiterhin unsere Mission verfolgen, unseren Kunden dabei zu helfen, die Leistung und den Herstellungsprozess so genau wie möglich zu validieren, um die Designs voranzutreiben. Wir werden weiterhin Physik mit Hochleistungsrechnen und Daten verbinden. Wir müssen sie alle zusammenfassen, denn einige Probleme kann man durch Verständnis der Physik lösen, andere wiederum muss man durch maschinelles Lernen lösen. Wir sind bestrebt, alle von uns entwickelten Technologien zu kombinieren, um die Dinge für unsere Kunden effizienter und profitabler zu machen, mit dem Endziel, ihnen dabei zu helfen, bessere Entscheidungen zu treffen und leistungsfähigere Produkte zu entwickeln.