DER KONSTRUKTEUR 10/2018

3D-DRUCK
01 Das Teil eines Gelenks in einem Heuwender zeigt, welche
Umbrüche die Kombination aus Simulation und additiver
Fertigung mit sich bringt; oben das Ausgangsteil, rechts eine
nach bionischem Vorbild optimierte Variante
Die bionische Konstruktionsmethodik, kombiniert mit 3D-Druck,
reduziert laut der Bitkom-Studie „3D-Druck – Erfolgsgeschichte für
den Digitalstandort“ von 2017 sogar das Materialgewicht und den
Gesamtmaterialverbrauch einzelner Teile um bis zu 90 %. Insgesamt
lassen sich durch additive Fertigung bis zu 70 % der Produktionszeit
und 80 % der Herstellungskosten einsparen. Schließlich
senkt 3D-Druck auch die Rüstkosten deutlich, z. B. für die Erstellung
von Formen und Werkzeugen.
MIT ZEITGEMÄSSER TECHNIK AUF DEN
SPUREN DER NATUR
Doch wie nutzt man als Konstrukteur diese Möglichkeiten? Eine
aktuelle Konstruktionssoftware alleine ist dafür längst nicht ausreichend.
Notwendig ist eine Vernetzung verschiedener Tools
auf Basis einer einheitlichen Datengrundlage, wie sie die 3D-
Experience-Plattform von Dassault Systèmes bietet. Auf einer
solchen zentralen Plattform stehen idealerweise nicht nur sämtliche
Daten, sondern auch alle benötigten digitalen Werkzeuge
zur Verfügung.
Eine große Rolle beim Entwerfen bionischer, leichter Strukturen
spielen Optimierungsverfahren wie die simulationsbasierte Strukturoptimierung.
Auf der 3D-Experience-Plattform lässt sie sich
WIEDERHOLTE SIMULATION,
ANALYSE UND VERBESSERUNG
DER KONSTRUKTION FÜHREN
ZUM OPTIMUM
durch die Catia Functional Generative Design Lösung umsetzen –
basierend auf der Technologie von Simulia Tosca Structure. Dabei
wird die optimierte Geometrie eines Bauteils berechnet, welche
die gewünschten Eigenschaften besitzt. Jede dieser Strukturoptimierungen
basiert auf einem Simulationsmodell des jeweiligen
Bauteils. Aufbauend auf aufgebrachten Lasten und Randbedingungen
simuliert die Software dann das Verhalten des Teils in den
modellierten Betriebszuständen. Im Anschluss analysiert das Programm
automatisch die Ergebnisse der Simulation und verändert
die Bauteilgeometrie mit mathematischen Modellen und Algorithmen,
bis sie dem angestrebten Ziel so nah wie möglich kommt.
Dieser Prozess aus Simulation, Analyse und Verbesserung der
Konstruktion wird automatisch mehrfach wiederholt – solange, bis
ein Optimum vorliegt.
Dabei berücksichtigt die Software von Anfang an die Fertigungsbedingungen:
Der Anwender definiert z. B. Kriterien wie Stanzbarkeit
oder Gießbarkeit. Daraufhin errechnet die Software ausschließlich
geometrische Varianten, die dem Herstellungsverfahren gerecht
werden. Im Fall des 3D-Drucks fallen einige Einschränkungen
hinsichtlich der Herstellbarkeit weg, und so kommen automatisch
eine Reihe zusätzlicher Varianten ins Spiel.
BIONIK – VOM ENTWURF ZUM BAUTEIL
In einer Design-Studie hat Dassault Systèmes ein Teil entwickelt,
das aus Kunststoff gedruckt wird. An besonders belasteten Stellen
legt der 3D-Drucker einen dünnen Kevlarfaden ein, bevor die
nächste Schicht aufgespritzt wird. Das Bauteil – Teil eines Gelenks
in einem Heuwender – zeigt exemplarisch, welche Umbrüche die
Kombination aus Simulation und additiver Fertigung mit sich
bringt. Es sieht nicht nur anders aus als sein Vorgänger, der in Metallguss
hergestellt wurde. Statt 8 kg wiegt es auch nur noch 800 g,
bei gleicher Belastbarkeit.
Wie ist so etwas möglich? Durch gezieltes Weglassen aller unnötigen
Strukturen. Schaut man sich die Lasten in der Finite-Elemente-Analyse
(FEA) an, fällt auf, dass an dem alten Bauteil vielleicht
die Hälfte des Volumens keinerlei Last aufnimmt und damit nur unnötig
Gewicht und Kosten verursacht. Das Bauteil und seine Lastpfade
zu optimieren, indem man Material weglässt, widerstrebt jedoch
vielen Ingenieuren. Die Software hilft dabei, umzudenken.
Im Idealfall sieht der Prozess von der Idee zu einem 3D-gedruckten
Produkt so aus: Als Erstes entwirft der Konstrukteur das Bauteil
in einem CAD-Programm. Nun folgt die Topologieoptimierung mit
Simulia Tosca Structure. Die 3D-Experience-Plattform sorgt dafür,
dass dieses optimierte Design mit Functional Generative Design
nahtlos in der CAD-Software erstellt, verarbeitet und für die weitere
konstruktive Optimierung genutzt werden kann. Und sie stellt sicher,
dass auch die Kollegen Zugriff auf diese optimierten Daten haben,
und zwar auf die jeweils aktuelle Version. Mit Hilfe der zentralen
Plattform ist jeder stets auf dem neuesten Stand.
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