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TITEL STORY: MIT SIMULATION ZUM EFFIZIENTEN BAUTEIL: Wie sich additive Fertigung lohnt


Digital Manufacturing - epaper ⋅ Ausgabe 6/2020 vom 09.10.2020

Additive Fertigung ist mehr als nur ein Produktionsverfahren. Anwender sollten den gesamten Prozess beleuchten und einen simulationsgetriebenen Gestaltungs- und Fertigungsprozess etablieren. Wie dieser aussehen kann, dazu hier mehr.


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Bildquelle: Digital Manufacturing, Ausgabe 6/2020

@Anwender können mit Altair Inspire Print3D den kompletten Fertigungsprozess virtuell durchspielen.


DEN KINDERSCHUHEN längst entwachsen, ist die industrielle additive Fertigung weiterhin auf Erfolgskurs - und das nicht nur, weil sie in immer mehr Branchen an Bedeutung gewinnt und mittlerweile auch in den Serienproduktionen überzeugt - sondern vor allem deshalb, weil sie mit ...

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DEN KINDERSCHUHEN längst entwachsen, ist die industrielle additive Fertigung weiterhin auf Erfolgskurs - und das nicht nur, weil sie in immer mehr Branchen an Bedeutung gewinnt und mittlerweile auch in den Serienproduktionen überzeugt - sondern vor allem deshalb, weil sie mit ihren schier unbegrenzten Gestaltungsmöglichkeiten einen enormen Wirtschaftsfaktor darstellen kann, wenn sie gut vorbereitet und entsprechend effizient eingesetzt wird.

Eine hohe Effizienz mit wenig Ausschuss können Anwender jedoch nur erreichen, wenn der gesamte Entwicklungsprozess inklusive aller Materialien und struktureller Gestaltung auf den 3D-Druck ausgelegt ist. Unternehmen, die additive Fertigung in ihre Produktion einführen wollen, sollten daher strategisch agieren, um das volle Potenzial ausschöpfen zu können. Sie sollten sich vor der Einführung zentrale Fragen stellen, um sich Zeit, Geld und unnötige Fehler zu ersparen.

Der Kandidatencheck: Auf das Bauteil kommt es an Insbesondere bei geringen Stückzahlen, hochpreisigen Komponenten oder Bauteilen, deren Individualisierung einen Wettbewerbsvorteil darstellt, kann die additive Fertigung ihre Stärken ausspielen. Unternehmen, die ihre Herstellung auf eine additive Fertigung umstellen und dadurch den Materialeinsatz reduzieren wollen, sollten daher an erster Stelle Zeit in die strategische Auswahl geeigneter Fertigungsteile investieren.

Bei der Auswahl und Evaluierung der Bauteilkandidaten ist es vorteilhaft, wenn der Anwender ein Auditverfahren durchführt und dabei Simulationssoftware, und insbesondere Topologieoptimierung anwendet, um das Potenzial der Gewichtsreduzierung zu ermitteln. Mit jedem Durchlauf wächst das Wissen im Entwicklungsteam, und die Kombination aus Simulation und wachsendem Know-how führt zunehmend sicher und schnell zu einer strategischen Wahl der geeigneten Bauteile.

Simulation verkürzt den Weg zum gelungenen Druck Um die Herstellbarkeit zu untersuchen und das Verhalten von Bauteilen vorherzusagen, kann Simulation viel Geld sparen, das Anwender bis dato in Trial-&-Error-Versuche investieren. Denn während des Redesigns für die additive Fertigung ist meist eine Vielzahl an Versuchen erforderlich, um die richtigen Parameter für ein qualitativ hochwertiges Bauteil aus dem 3D-Drucker zu finden. Das erzeugt häufige Fehldrucke, die die Kosten unnötig in die Höhe treiben. Denn Rohstoffe, Maschinenzeiten, Arbeitskraft und weitere Ressourcen gehen dabei verloren.

@Innovation ermöglichen: Prototyp einer Radaufhängung eines 360-Grad-Electric-Drive-Moduls von Protean, entworfen und gefertigt von M&H CNC Technik.


Mit Simulation kann der Anwender die Trial-&-Error-Versuche reduzieren oder sogar ganz vermeiden, denn die Wahrscheinlichkeit steigt rapide, dass bereits der erste Druck gelingt.

Topologieoptimierung: Weniger Material = mehr Gewinn „Was ist die minimale Materialmenge, die erforderlich ist, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen?“, das ist eine zentrale Frage der Wirtschaftlichkeit. Antworten gibt die Topologieoptimierung. Sie erlaubt die Erstellung eines optimalen Entwurfs, wenn sich alle für den Herstellungsprozess relevanten Gestaltungsregeln berücksichtigen lassen.

Ob im Maschinenbau, der Medizintechnik oder in der Architektur: Die Entwicklung von Komponenten auf Basis von Optimierungsergebnissen, unter Berücksichtigung des Fertigungsprozesses ermöglicht eine effiziente, kosteneffektive sowie intelligente Produktion. Das schafft die Möglichkeit für ein leistungsfähigeres Bauteil, das genau in dem Herstellungsprozess gefertigt wird, der das beste Kosten-Gewicht-Verhältnis bietet.

Mit Simulation für alle zum First Time Right Die Kombination aus 3D-Druck und simulationsgetriebenem Design kann zu Innovationen führen, die die Grenzen des Möglichen erweitern und gleichzeitig die Herstellbarkeit sicherstellen. Die vielen Beispiele einer erfolgreichen Umsetzung sind Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt, dem Werkzeugbau, der Industrierobotik, der Architektur und der Automobilbranche.

In allen Bereichen stehen Konstrukteure und Fertigungsspezialisten vor der Herausforderung, ihre Entwürfe entsprechend den Leistungsanforderungen zu optimieren und gleichzeitig die Herstellbarkeit sicherzustellen. Mussten sie sich dafür bis vor Kurzem noch an Simulationsexperten wenden, können sie nun auf ein neues Werkzeug speziell für ihre Bedürfnisse zurückgreifen.

@Die Simulation des Fertigungsprozesses hilft bei der Ermittlung und Visualisierung von Defekten wie Verformung oder Überhitzung.


Mit Altair Inspire Print3D gibt es eine Design- und Simulationslösung, die es ihnen ermöglicht, effiziente Entwürfe für die additive Fertigung zu erstellen, zu bewerten und zu optimieren. Dank einer Reihe schneller und genauer Werkzeuge können Konstrukteure in einer einfach zu bedienenden Umgebung fertigungsgerechte Bauteile entwickeln und dabei tiefe Einblicke in den Fertigungsprozess gewinnen, um so schnellere und bessere Designentscheidungen zu treffen.

Inspire Print3D ermöglicht ihnen, den gesamten Druckprozess virtuell zu durchlaufen - von der Erstellung, Kühlung bis hin zu Zuschnitt und Rückfederung sowie der Ermittlung und Visualisierung von Defekten wie Verformung oder Überhitzung. Am Ende erhalten sie eine Datei, die das druckfertige Bauteil inklusive Stützstrukturen enthält.

Fazit: Die Chancen nutzen Die additive Fertigung an sich ist keine Wunderwaffe. Fertigungsverfahren sind stets nur so gut wie die Konstruktionen, die man mit ihnen umsetzt (siehe Kasten). Um den Nutzen so groß wie möglich zu gestalten, müssen Produktentwicklung und Fertigung Hand-in-Hand arbeiten. Ein intelligenter Ansatz für die Konstruktion, der die richtige Materialauswahl zulässt, ist wichtig. Aber noch wichtiger ist der eigentliche Bauteilentwurf.

Gerade die Topologieoptimierung gibt dabei Gewissheit darüber, ob das Bauteil nicht nur leicht ist, sondern auch die Kriterien für Kosten, Lebensdauer und Leistung erfüllt. Indem der Hersteller Bauteil oder System individuell auf einen speziellen Anwendungsfall anpasst, maximiert er den Wert für den Endkunden und erreicht einen klaren Wettbewerbsvorteil durch eine hohe Bauteilqualität und schnelle Marktreife.

Simulation insgesamt ist der Schlüssel, um die unzähligen Vorteile der additiven Fertigung voll auszuschöpfen. Sie ermöglicht es, verschiedene Konfigurationen und Anordnungen von Gitterstrukturen, die Verwendung verschiedener Materialien sowie die beste Orientierung des Bauteils auf dem Druckbett zu untersuchen. Die zielgerichtete Analyse und Optimierung stellt sicher, dass der Hersteller in punkto Kosten, Gewicht und Leistung das Bestmögliche aus seinem Bauteil herausholt.

jbi

@Dave Coates ist Chief Engineer bei Altair Engineering, Inc.

Nicht nur für die additive Fertigung

Auch bei anderen Fertigungsverfahren lohnt es sich, die jeweiligen Fertigungsrandbedingungen vorab in die Simulation einzubeziehen und dadurch ein optimal ausgelegtes Bauteil zu produzieren. Altair Inspire bietet neben Inspire Print3D auch Simulationstools für Spritzgießen, Pressen, Metall-Guss, Extrusion und andere Fertigungsverfahren. Mehr über alle für die Fertigung relevanten Simulationslösungen unter: https://www.altair.com/manufacturing- applications.


Bild: Altair

Bild: M&H CNC Technik

Bild: Altair