Software 3D-Metalldruckprozess durch offenes Datenformat beschleunigen

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik

Franke GmbH

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Bechtle PLM Deutschland GmbH

Ein Forschungsteam hat ein Datenformat entwickelt, dass die Datenverarbeitung entlang der Prozesse beim 3D-Druck von Metallen vereinfachen soll. Fertigung und Prozesskontrolle lassen sich damit in Echtzeit zusammenführen.

Das Laser-Powder-Bed-Fusion-Verfahren (LPBF) ist für den 3D-Druck von Metallen am geläufigsten. Dabei bauen Laser durch schichtweises Belichten von Metallpulver ein Werkstück auf. Die Konstruktionsdaten müssen hierbei allerdings entlang der Prozesskette mehrfach umgewandelt werden. Dabei entstehen teils Datenvolumen im zweistelligen Gigabyte-Bereich. Sie zu verarbeiten kostet nicht nur Zeit, sondern bringt selbst moderne IT-Systeme an Grenzen.

Ein Forschungsteam der Lehrstühle für Lasertechnik LLT und für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University sowie des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen hat eine praktikablere Lösung entwickelt. Das neue Open-Vector-Format soll den 3D-Druck beschleunigen, verteilte Datenverarbeitung erlauben und neben der Anlagenskalierung auch die Steuerung größerer Anlagenparks vereinfachen.

Bildergalerie

Datenvolumen nach Slicing steigt sprunghaft an

Doch warum braucht das Verfahren ein neues Datenformat? In der LPBF-Prozesskette müssen nach der Konstruktion mit einem CAD-Programm die Bauteilkonturen im zweiten Schritt in kleinste geometrische Strukturen umgewandelt werden. In der Regel sind das Dreiecke (Tesselation). Anschließend folgt das virtuelle Einpassen des Bauteils in den Bauraum, wobei es so gedreht und gegebenenfalls mit anderen Teilen im virtuellen Bauraum angeordnet wird, um dessen Volumen optimal zu nutzen (»nesting and orientation«). In diesem Schritt wird die Konstruktion außerdem durch etwaige Stützstrukturen abgesichert. Bis hierher werden die Daten im Prozess als dreidimensionale Koordinaten geführt.

Es folgt das so genannte „Slicing“, welches die 3D-Struktur in tausende 2D-Schichten für den LPBF-Prozess übersetzt. Denn LPBF-Anlagen breiten nach jeder Laserbelichtung ein frisches Pulverbett aus, fixieren darin per Laser die vorgesehene Bauteilstruktur und gehen dann zur nächsten Schicht über. Neben den 2D-Konturen der jeweiligen Schicht setzt dieser Prozess präzise Anweisungen zur Maschinensteuerung voraus.

An diesem Punkt ergibt sich der Bedarf: Denn während für 3D-Konstruktionsdaten ausreichend Formate existieren, werden die Daten nach dem Slicing vor allem über proprietäre Lösungen der jeweiligen LPBF-Anlagenhersteller verarbeitet. Das liegt auch daran, dass standardisierte Lösungen anderer Bereiche, wie das Format G-Code für CNC-Maschinen oder das CLI-Format (Common layer interface) für den 3D-Druck nur bedingt nutzbar sind. So basiert G-Code auf der Speicherung der Koordinaten im Textformat (ASCII), wodurch die Datenvolumen schnell auf einige 10 GB anschwellen. Entsprechend zeitaufwändig ist die Verarbeitung dieser Datenmengen.

Was kann das neue Format?

Die neue Lösung „Open Vector Format OVF“ bietet zunächst einmal offene Strukturen– Nutzer haben vollen Zugriff auf die Geometriedaten. Diese werden in einem am Fertigungsprozess orientierten Vektorformat gespeichert; das reduziert den Umfang der Dateien gegenüber dem Textformat drastisch. Zusätzlich lassen sich im neuen OVF Fertigungsinformationen wie zum Beispiel die Laserleistung oder die Delay-Zeiten beim Scanprozess speichern. Bei Mehrstrahlanlagen wird zudem die so genannte Scan-Feed-Allocation festgelegt, also die Aufteilung auf mehrere Strahlquellen. Im Detail basiert das Format auf der Open-Source-Technologie »Protocol Buffers«, die auch Google für strukturierte Daten nutzt. Protocol Buffers definiert eine Interface Description Language (IDL), die zur Definition der OVF-Daten genutzt wurde.

Das Format ist für sechs von Google unterstützte Programmiersprachen lesbar, 30 weitere Sprachen können ebenfalls damit arbeiten. Es basiert auf Binärdaten. Für den 3D-Druck ist die schichtweise Verarbeitung der Daten wichtig, was die Steuerung über ein Netzwerk ermöglicht und so die lokale Datenhaltung stark reduziert.

Das neue Format ist in den Laboren an der RWTH Aachen und des Fraunhofer ILT bereits im Einsatz. Die Forschenden sind mit Herstellern von 3D-Aufbereitungssoftware sowie mit Scanner-Herstellern im Gespräch, die das Format in ihre Software integrieren wollen.

(ID:49944051)