EOS: Auf Additive Manufacturing optimiert konstruieren

Additiv fertigen, freier konstruieren

| Redakteur: Konrad Mücke

AM-Prozess: Ein fokussierter Laserstrahl hoher Leistung schmilzt das Pulver an den Stellen, die das CAD/CAM-System aus der Konstruktion vorgibt.
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AM-Prozess: Ein fokussierter Laserstrahl hoher Leistung schmilzt das Pulver an den Stellen, die das CAD/CAM-System aus der Konstruktion vorgibt. (Bild: EOS GmbH)

Additiv zu fertigen, erweitert deutlich die Gestaltungsmöglichkeiten für Konstrukteure. Design, Funktion und integrative Bauweise werden optimiert. Sehr komplexe, leichte und stabile Strukturen lassen sich bei deutlich kürzeren Durchlaufzeiten verwirklichen.

Additiv gefertigt, dauert der Prozess von der Idee über die Vorserie bis zum Serienprodukt nicht mehr Monate, sondern nur noch wenige Wochen. Um allerdings die zahlreichen Möglichkeiten des Additive Manufacturing (AM) beim Gestalten und Konstruieren von Werkstücken umfassend nutzen zu können, müssen Konstrukteure bereits «additiv» denken.

Alternativen in Design, Konstruktion und Fertigung

Beim Konzept für ein Bauteil berücksichtigen Konstrukteure bereits frühzeitig, wie sich die betreffenden Werkstücke fertigen lassen. Zunächst denken sie an die Fertigung und die Funktion der Bauteile, erst anschliessend an die Form und Gestaltung. Mit diesem Wissen ist es umso wichtiger, dass Konstrukteure die Möglichkeiten von AM kennen und verstehen. Die Technologie ermöglicht erstmals einen anderen Gestaltungs- und Konstruktionsprozess. AM ist «design-driven». Jede denkbare Geometrie, nahezu beliebig gestaltete Bauteile, lassen sich verwirklichen. Die Konstruktion bestimmt die Fertigung – sie ist nicht abhängig von den Fertigungsmöglichkeiten, die ehemals die Gestaltung erheblich einschränken konnten.

Konstrukteure können also Funktionen realisieren, die so bis jetzt nicht möglich waren. Funktionen können in Bauteile integriert, bisher undenkbare komplexe Geometrien erstellt und kundenindividuelle Produkte in einem Schritt gefertigt werden. Das erschliesst weitere Vorteile, zum Beispiel leichtere Werkstücke, die mit deutlich weniger Werkstoff hergestellt werden.

Die Herausforderungen für Unternehmen bei der Einführung des 3D-Drucks ist, dass sie besonders zu Beginn noch von konventionellen Fertigungsverfahren getrieben sind. Bauteile werden nach gewohnten Richtlinien konstruiert und nicht auf den AM-Prozess hin optimiert. In der Folge kann sich der Mehrwert der Technologie nicht vollständig entfalten. Werden jedoch Designrichtlinien für die additive Fertigung stringent angewandt, können sämtliche Vorteile der nunmehr herstellbaren Bauteile verwirklicht werden.

Automatisch prüfen, ob 3D-Druck-gerecht konstruiert

Um Konstrukteuren die Arbeit zu vereinfachen, gibt es heute sogenannte Design Checks für AM. Diese analysieren und prüfen die Bauteilgeometrie. Dabei berücksichtigen sie den zur Verfügung stehenden und vorgesehenen industriellen 3D-Drucker. Sie liefern Informationen dazu, wie die konstruierten Teile am besten additiv gefertigt werden. Wichtige Indikatoren sind zum Beispiel Wanddicken, Lochdurchmesser und Hohlräume. Dazu gehören auch die Eigenschaften des Werkstoffs und der Oberflächen. Konstruktion im CAD- sowie Programmierung und Parametrisierung im CAM-System müssen zusammenwirken. Inzwischen bieten zahlreiche Anbieter aktueller CAD/CAM-Software spezielle AM-Module. Diese unterstützen einerseits den Konstrukteur, zum Beispiel beim Optimieren der Topologien, andererseits die Fertigung zum Beispiel mit automatischem Erstellen der Stützstrukturen.

Wichtig für den Konstrukteur sind neben der FEM-Simulation auch AM-spezifische Simulationen. Sie können vorab das Bauteilverhalten beim Fertigen mit dem jeweiligen AM-Prozess zeigen. Für den Fertigungsingenieur ist unter anderem die Simulation des Bauteilverzugs und der Eigenspannungen wichtig. Danach orientiert er das Bauteil räumlich im Bauraum des 3D-Druckers. Zudem kann er anhand der Informationen die Stützstrukturen sachgerecht anordnen. Den dafür erforderlichen Aufwand reduziert die Simulation deutlich. Sie zeigt virtuell den Aufbau des Bauteils, bevor der physische 3D-AM-Prozess beginnt. Innerhalb kurzer Zeit lassen sich mit der Simulation unterschiedliche Fertigungsvarianten analysieren, prüfen und gegeneinander abwägen.

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Einfach und sicher mit standardisierter Softwareumgebung

Nahezu sämtliche Anbieter zeitgemässer CAX-Software bieten inzwischen eine einheitliche Umgebung zum Simulieren, Konstruieren und Vorbereiten der Fertigung. Schnittstellen sorgen dafür, dass man spezifische Konstruktions- und Simulationsabläufe sowie Parametrisierungen für Additive Manufacturing integrieren kann. So ist beispielsweise das CAM-Modul EOSPRINT von EOS in der CAD/CAM NX integrierbar. Das universelle 3D-CAD/CAM-System von Siemens eignet sich zum integrierten, computergestützten Konstruieren, Fertigen und Simulieren (CAD/CAM/CAE). Da das auf AM spezialisierte Softwaremodul vollständig an das universelle CAD/CAM-System angebunden wird, kann der Konstrukteur ein Produkt in einer einzigen Software-Umgebung für die additive Fertigung vorbereiten. Das gestattet eine nahtlose Aktualisierung von Konstruktionsdaten. Es vermeidet Fehlerquellen, die durch die Dateikonvertierung entstehen können. Ebenso verringert es den Lernaufwand. Dank einer solchen Integration sind die Prozessschritte von der digitalen Bauteilkonstruktion bis zum additiven Fertigen eng miteinander verbunden. Somit können Konstrukteure und Fertigungsvorbereiter deutlich schneller, einfacher und zuverlässiger sämtliche Prozesse von der Produktidee bis zur Produktion durchlaufen. SMM

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