Software-Version verbessert die Einbindung des 3D-Drucks in Produktionskette

Bis zu neunmal schnellere Simulationssoftware

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In den Softwarelösungen und 3D-Druck-Dienstleistungen von Materialise stecken fast drei Jahrzehnte 3D-Druck-Erfahrung. Mit der zweiten Version der Simulationssoftware Materialise Simulation 2.0 finden Anwender bis zu neunmal schneller eine optimale Lösung. Die Software Materialise Streamics 8 verbessert die Einbindung des 3D-Drucks in eine industrielle Produktionskette.

Die Materialise-Simulations-2.0-Software bietet nicht nur erhebliche Geschwindigkeitsverbesserungen und erweiterte Simulationsfunktionen, sondern vereinfacht auch die Verwaltung der Simulation. Mit der Software, die als optionales Modul mit Materialise Magics 23 erhältlich ist, können Bediener einen virtuellen Prototypen erstellen und so das Verhalten eines Teils während der physischen Produktion vorhersagen und analysieren. Die Software trägt so dazu bei, den Druckauftrag vorab zu optimieren, und die Anzahl von Fehlern und kostspieligen Nachdrucken zu reduzieren.

Materialise Simulation 2.0 verarbeitet Daten bis zu neunmal schneller und kann auch größere Dateien verarbeiten. Zu den neuen Simulationsfunktionen gehört die Bauteilkompensation, mit der Anwender die wärmebedingte Bauteilverformung vorhersagen und kompensieren können. Mit der neuen Version lässt sich zudem die Wärmediffusion simulieren, wodurch sich eine Überhitzung während des Druckprozesses verhindern lässt.

Kostspielige Testdrucke werden vermieden

„Immer mehr Unternehmen setzen den 3D-Druck als Fertigungstechnologie ein“, so Stefaan Motte, Vice President Software, Materialise. „Sie suchen nach Möglichkeiten, ihre Betriebsabläufe zu skalieren, die Produktivität zu steigern und die Gesamtkosten zu senken. In einem typischen Entstehungsprozess vom CAD-Entwurf bis zum Druckteil macht das Drucken – einschließlich der Maschinen- und Materialkosten – einen Großteil der Gesamtkosten aus. Vor allem beim 3D-Metalldruck sind fehlerhafte oder ungeeignete Bauteile und Testdrucke sehr kostspielig. Simulationssoftware hilft, die Primärkosten zu senken. Mit ihr können Bediener das Verhalten eines Teils während der physischen Produktion vorhersagen und analysieren. Das hilft ihnen, ihre Bauvorbereitung zu optimieren und kostspielige Nachdrucke und Fehler zu reduzieren.“

Die extrem hohen Temperaturen beim Lasersintern und eine unterschiedliche Wärmeabführung und Temperaturverteilung in Bauteil und Stützstrukturen (Supports) führen immer wieder zu Baufehlern durch Schrumpfung, Eigenspannungen und Verzug. Selbst Experten können dies nicht vollständig voraussagen. Im Normalfall sind deshalb oft mehrere Testdrucke nötig, was hohen Zeit- und Kostenaufwand bedeutet. Zugleich führt die Arbeit mit Annahmen und Testdrucken in der Regel nur zu suboptimalen Ergebnissen. Mit Simulation lassen sich der Planungs- und Entwicklungsaufwand und die Ergebnisse mitunter erheblich verbessern. Doch auch hier gibt es Herausforderungen, denn eine aussagekräftige 3D-Druck-Simulation erfordert üblicherweise hochqualifizierte Ingenieure. Sie müssen eng mit den Designern zusammenarbeiten, um Feedback zur optimalen Teileausrichtung und Gestaltung der Stützstruktur zu geben. Das kann den Design- und Engineering-Prozess immer noch vergleichsweise komplex und zeitaufwendig machen.

Auch ohne Expertenwissen

Vor dem Hintergrund konzentriert sich das Materialise-Simulationsmodul auf die Optimierung des Produktionsprozesses ohne Expertenwissen. Selbst Unternehmen ohne Metall-3D-Druck-Erfahrung können damit schneller als üblich Bauteile bestmöglicher Qualität drucken. So lassen sich damit virtuelle Prototypen erstellen und auf Bereiche prüfen, die hinsichtlich Schrumpfung, Eigenspannung oder Verzug kritisch sind und diese farblich hervorheben lassen. So erhalten Konstrukteure wertvolle Rückmeldungen dazu, wie diese Bereiche gestützt oder im Raum positioniert werden müssen. Durch die Einbettung in die Datenaufbereitungssoftware Magics von Materialise lassen sich Varianten mit unterschiedlicher Ausrichtung und unterschiedlichen Stützstrukturen zudem vergleichen.

Der Arbeitsablauf mit dem Simulations-Modul

Der Arbeitsablauf mit dem Simulationsmodul umfasst im Wesentlichen vier Schritte. In einem ersten Durchlauf wird die CAD-Geometrie des Bauteils dazu verwendet, eine erste Ausrichtungs- und Supportkonfiguration zu erstellen. Danach werden Bauteil und Stützstruktur per Software in dreidimensionale Würfel – sogenannte Voxel – aufgeteilt. Wenn es reicht, festzustellen, mit welcher Konfiguration qualitativ die geringste Verformung auftritt, können die Voxel relativ grob ausfallen. Dadurch beschleunigen sich die späteren Rechenprozesse erheblich. Anschließend simuliert die Software mit den Voxeln den schichtweisen Aufbau und prognostiziert dabei Eigenspannungen und Verformungen während der additiven Fertigung (AM). Für die Prognose wird hier die sogenannte „inhärente Dehnungsmethode“ genutzt, ein Modell, das aus der Simulation von Schweißverfahren übernommen wurde. In einem letzten Schritt werden die Ergebnisse aus der Voxel-Bildung interpoliert und auf die ursprüngliche CAD-Geometrie übertragen.

Bei der Bewertung der Ergebnisse hilft eine Funktion, mit der nur die relevantesten Simulationsdaten in Magics geladen werden können. Dies vereinfacht die Suche nach der am besten geeigneten Ausrichtung und den am besten geeigneten Support-Strukturen noch weiter. Schließlich werden die erfolgversprechendsten Konfigurationen ausgewählt und mittels Testdruck realisiert. Ziel ist es, zu validieren, dass die Simulations-Software die Konfiguration mit der tatsächlich geringsten Abweichung vom Design der ursprünglichen CAD-Geometrie korrekt vorausgesagt hat. In nahezu allen Fällen bestätigen sich hier die Rechenergebnisse.

Effektive 3D-Druck-Prozesse

Materialise Streamics ist ein Software-Tool zur Verwaltung und Rationalisierung von 3D-Druck-Produktionsabläufen. Die neue Version 8 der Software soll dazu beitragen, die oft noch isolierten hauseigenen 3D-Druck-Kapazitäten in produktive und integrierte Produktionsanlagen zu verwandeln. Um das zu erreichen, lässt sich die Software nun leichter an bestehende Produktionsmanagement-Systeme anbinden. Zudem wurden spezifische Funktionen zur additiven Fertigung ergänzt, mit denen die Produktivität gesteigert und das Design geschützt werden kann.

Die neue Version von Streamics bietet unter anderem ein vollständig konfigurierbares Web-Portal sowie eine web-basierte API (Application Programming Interface). Durch das Web-Portal können entfernte Konstruktionsabteilungen besser mit der Produktion interagieren, um das Design zu optimieren und die Produktionskosten zu minimieren. Die web-basierte API ermöglicht eine einfachere Integration der 3D-Druck-Produktionsumgebung in bestehende Geschäfts- und Produktions-IT-Systeme – ein wichtiger Schritt, um den 3D-Druck zu einem integralen Bestandteil des gesamten Fertigungsprozesses zu machen. Maschinenseitig bieten die Materialise Build-Prozessoren außerdem eine Systemschnittstelle zu über 150 Druckersystemen.

Automatisch im Bauraum platziert

Zu den bei Streamics 8 erweiterten Werkzeugen zählt die Nesting-Funktion. Die Funktion, mit der sich Bauteile zur optimalen Bauraumausnutzung automatisch im Bauraum anordnen lassen, ist jetzt über mehrere Bauplattformen hinweg anwendbar. Um sie zu nutzen, können Anwender mehrere Teile einfach per Drag & Drop in den Baujobplaner einfügen. Anschließend verschachtelt der Planer automatisch die Teile und legt die entsprechende Anzahl von Bauprozessen fest. Der automatisierte Verschachtelungsprozess macht die Druckvorbereitung erheblich effizienter und kann die jährlichen Arbeitskosten deutlich senken.

Mit der Einführung von Streamics 8 ebnet Materialise darüber hinaus den Weg zum Digital Rights Management (DRM) im 3D-Druck. DRM bietet Herstellern eine zuverlässige, sichere Möglichkeit, hochwertige Endteile zu drucken und dies über ein globales verteiltes Produktionsnetzwerk zu skalieren. Da Streamics 8 den Schutz des Designs ermöglicht, müssen sie sich keine Sorgen machen. Materialise arbeitet mit Partnern zusammen, um einen echten, durchgängigen und sicheren 3D-Druck-Prozess zu etablieren, der es Anwendern ermöglicht, den Druck einer Datei auf vordefinierte Drucker zu beschränken, die notwendige Druckqualität zu garantieren und die Anzahl der Nachdrucke zu begrenzen.

Die Skalierung der additiven Fertigung setzt außerdem voraus, dass sich jede einzelne Komponente vollständig zurückverfolgen lässt. Streamics 8 speichert automatisch alle relevanten Baudaten wie Seriennummern, Prozessparameter und Bauteilrevisionen und stellt sie jederzeit zur Verfügung. Mit Streamics 8 unterstützt Materialise sowohl Textlabel als auch Data Matrix Label. Data Matrix Label wandeln die alphanumerischen Daten von standardmäßig additiv gefertigten Labeln in einen Datamatrix-Code um, der sich automatisch auf einzelne Teile anwenden lässt. Diese Smart Tags sind kleiner und maschinenlesbar, reduzieren menschliche Fehler und automatisieren den Nachbearbeitungsprozess weiter.

Spezielle Build-Prozessoren

Mit Streamics 8 kündigt Materialise die Unterstützung von MTConnect an, was eine bessere Überwachung von MTConnect-fähigen Geräten – wie beispielsweise ausgewählten Stratasys 3D-Druckern – ermöglicht. Darüber hinaus bietet Streamics 8 eine bessere Maschinenüberwachung für Arcam- und HP-Drucker durch spezielle Build-Prozessoren. Die Live-Überwachung wichtiger Maschinenparameter auf dem Streamics-Dashboard, einschließlich Maschinenzustand und verstrichener Produktionszeit, bietet dem Bediener mehr Kontrolle über den Produktionsprozess und verbessert die Gesamtproduktivität. Materialise ist überzeugt, dass offene Werksnormen wichtig sind, um eine bessere Konnektivität und einen effizienteren Betrieb zu ermöglichen. Das Unternehmen plant, künftig noch andere Maschinenkommunikationsstandards wie OPC-UA zu unterstützen.

Materialise GmbH
www.materialise.com


Marcus Joppe, Geschäftsführer Materialise GmbH. Bild: Materialise

Drei Fragen an Marcus Joppe, Geschäftsführer Materialise GmbH

Wie ist die Materialise GmbH aufgestellt und mit welchen Schwerpunkten beschäftigen sie sich?

Joppe: Wir haben in Deutschland drei Standorte, einen in München und zwei in Bremen. In München sitzen unsere Kollegen aus dem Vertrieb. In Bremen werden zum einen kundenspezifische Softwarelösungen entwickelt und zudem produzieren wir dort für unsere Kunden aus Deutschland additive Bauteile aus Metall. Generell gliedern sich unsere Geschäftsbereiche in drei Kernbereiche: Materialise Manufacturing (Dienstleistungen & Anwendungsentwicklung), Materialise Software (3D-Druckspezifische Software) und Additive Fertigung für die Medizintechnik.

Können Sie kurz erklären wie sich ihre Softwarelösung Magics 3D Print Suite aufbaut?

Joppe: Die Materialise Magics 3D Print Suite ist die Software-Lösung für alle Unternehmen und Branchen, die den 3D-Druck professionell nutzen möchten. Dabei spielt es für die Software keine Rolle, in welchem Schritt des 3D-Druck-Verfahrens der Kunde Unterstützung oder eine entsprechende Automatisierung benötigt und in welcher Branche er tätig ist. Der Kernbestandteil der Materialise Magics 3D Print Suite ist die Datenaufbereitungssoftware Materialise Magics. Ganz unabhängig davon, welche Drucker der Kunde einsetzt: Materialise Magics unterstützt die Vorbereitung der Bauteile für den 3D-Druck für nahezu jeden Drucker. Zudem enthält Materialise Magics, als optionales Modul, die neue Simulationssoftware.

Wie umfangreich ist das 3D-Druck-Dienstleistungsangebot?

Joppe: Materialise Manufacturing unterhält eines der größten und am umfangreichsten ausgestatteten 3D-Druckwerke der Welt. Mittlerweile wurden dort rund 180 Drucker installiert. Insgesamt werden damit sieben unterschiedliche Technologien abgedeckt. Materialise Manufacturing bietet allerdings weit mehr als einen reinen 3D-Druck-Service. Die Konstrukteure und Ingenieure entwickeln mit dem Kunden zusammen, je nach Bedarf, auch ganz neue, 3D-Druck-spezifische Produkte und eventuell auch Geschäftsmodelle.

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