Was ist DfAM und wie verändert es die Fertigung?

Einer der aufregendsten und vielversprechendsten Aspekte der Technologien der additiven Fertigung (AM) ist ihr Potenzial, die Konstruktionsprinzipien für die Fertigung radikal zu verändern. Da sich der 3D-Druck weiterentwickelt und von einem reinen Prototyping zum Produktionsprozess übergeht, glauben viele, dass er ein neues Paradigma für ein Design einleiten wird, das nicht an die Designbeschränkungen gebunden ist, die mit traditionelleren Herstellungsprozessen verbunden sind.

Wenn man darüber nachdenkt, macht es absolut Sinn. Heutzutage beruhen die am weitesten verbreiteten Herstellungsverfahren auf subtraktiven Methoden, was bedeutet, dass sie Schichten von einem Rohmaterialblock wegschneiden oder entfernen. Obwohl dieser Ansatz für viele Anwendungen präzise und effektiv ist, bringt er verschiedene Konstruktionseinschränkungen in Bezug auf hohle oder komplex strukturierte Teile mit bestimmten Winkeln und Überhängen mit sich. Obwohl das Spritzgießen selbst keine subtraktive Technik ist, stützt es sich bei der Herstellung von Formen weitgehend auf subtraktive Methoden, was bedeutet, dass seine Designs immer noch auf das beschränkt sind, wozu subtraktive Prozesse wie CNC-Bearbeitung in der Lage sind.

Als Zusatz Ansatz baut der 3D-Druck Objekte Schicht für Schicht auf, was bedeutet, dass er in der Lage ist, komplexe interne Geometrien und Strukturen zu konstruieren, solange sie unterstützt werden. Um diese neuen Designmöglichkeiten zu adressieren, wurde das Konzept „Design for Additive Manufacturing“ – besser bekannt als DfAM – entwickelt. Im Kern besteht DfAM aus einer Reihe von Designmethoden, die sich mit der Leistung, Herstellbarkeit und den Kosten von Teilen für AM-Technologien befassen. Obwohl sie noch in den Kinderschuhen stecken, schaffen DfAM-Tools bereits einzigartige Möglichkeiten in Bezug auf optimiertes Teiledesign, Leichtbaustrukturen und Materialreduzierung.

Was bringt DfAM auf den Tisch?

Wenn wir uns die spezifischen Vorteile von DfAM ansehen, können wir drei Schlüsselbereiche ausmachen, in denen die AM-zentrierten Konstruktionswerkzeuge am wirkungsvollsten sein könnten:Konstruktionsfreiheit, Teilekonsolidierung und Leichtbau.

• Gestaltungsfreiheit

Wenn wir über 3D-Druck sprechen, steht Designfreiheit wegen seiner Vorteile immer ganz oben auf der Liste. Und in der Tat ist es eines der bedeutendsten neuen Dinge, die die Technologie auf den Tisch bringt. Grundsätzlich gibt es DfAM schon seit einiger Zeit und ermöglicht es Herstellern und Herstellern, verschiedene Füllraten und -strukturen zu integrieren, um den Druckprozess zu beschleunigen und Material einzusparen.

Die wirklichen Vorteile von DfAM kombinieren jedoch diese beiden Dinge und fügen dem Mix eine optimierte Leistung hinzu. Die Fähigkeit, Teile mit komplexen Innengeometrien, ausgehöhlten Innenräumen und Gittern zu entwerfen oder zu erzeugen, ist in der Fertigungsindustrie bahnbrechend. Auch extern ermöglicht DfAM die Herstellung von Teilen oder Produkten mit völlig neuen Formen, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht herzustellen wären.

• Teilkonsolidierung

Hersteller in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie – um nur einige zu nennen – profitieren von den Vorteilen der additiven Fertigung, wenn es um die Teilekonsolidierung geht. Kurz gesagt, die Produktionsmöglichkeiten der additiven Fertigung in Verbindung mit DfAM ermöglichen es Herstellern, Teilebaugruppen auf innovative Weise neu zu gestalten und mehrere Komponenten zu einem einzigen Teil zu kombinieren.

Eines der bekanntesten Beispiele für die Teilekonsolidierung stammt wohl vom Luft- und Raumfahrt-Startup Relativity Space, das 3D-Druck und DfAM nutzte, um eine Raketentriebwerksbaugruppe von etwa 100.000 Teilen auf nur 1.000 zu konsolidieren. Dank des 3D-Drucks und der Teilekonsolidierung ist der Raketentriebwerk von Relativity erheblich billiger und schneller in der Herstellung geworden.

• Gewichtsreduzierung

Als Folge der Designfreiheit und Teilekonsolidierung finden Hersteller neue Wege, um Designziele zu erreichen, wie z. B. die Gewichtsreduzierung von Teilen. Mit der Weiterentwicklung der DfAM-Software können Teiledesigns sogar basierend auf Leistungsanforderungen generiert werden, was bedeutet, dass Komponenten von dem geringstmöglichen Gewicht profitieren können, ohne die Festigkeit oder strukturelle Integrität zu beeinträchtigen.

Die Fähigkeit, leichtere Teile zu konstruieren – sei es durch die Integration teilweise hohler Innengeometrien wie Gitter oder durch die Konsolidierung mehrerer Teile zu einem oder durch die Schaffung völlig neuer Strukturen – ist entscheidend für die Schaffung effizienterer Maschinen. Bei Fahr- oder Flugzeugen beispielsweise führt die Gewichtsreduzierung zu einer besseren Treibstoffeffizienz. Die Reduzierung des Materialgewichts kann auch zu niedrigeren Materialkosten führen, was zu einer kostenfreundlicheren Produktion führt.

Der Stand von DfAM heute

Heute sehen wir einen Zustrom an DfAM-Softwarelösungen, die generatives Design, Topologieoptimierung und andere intelligente Designfunktionen umfassen. Softwareentwickler wie Topology, Parameter, Autodesk, Altair und andere entwickeln innovative Tools, die es Herstellern ermöglichen, nicht nur das Teiledesign zu rationalisieren – die Automatisierung durch generatives Design und Simulationsfunktionen zu erhöhen –, sondern auch die wahren Vorteile der additiven Fertigung zu nutzen Entwurfsphase.

In diesem Stadium beginnen die Hersteller erst, die Vorteile von AM und DfAM zu nutzen, da es sich um ein neues Terrain im Industriesektor handelt. Glücklicherweise gibt es viele AM-Experten und professionelle Dienste wie RapidDirect, die Unternehmen auf ihrem Weg zur Einführung der additiven Fertigung durch die Erforschung von DfAM unterstützen können.

Heute sehen wir eine zunehmende Anzahl von Erfolgsgeschichten, in denen Unternehmen Teile umgestalten, die ursprünglich mit traditionellen Verfahren unter Verwendung von DfAM und 3D-Druck hergestellt wurden. In Zukunft werden sich die DfAM-Software und die additive Fertigung immer weiter durchsetzen.