Additive Fertigung AM-Designtools – Welche brauchen Sie wirklich?

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Von eigenständigen Lösungen junger No-Name-Firmen bis zu Erweiterungen etablierter Softwarehersteller – immer mehr Konstruktionssoftware speziell für die Additive Fertigung kommt an den Markt. Die neue Vielfalt ist nicht unumstritten. Denn: Braucht man all diese Funktionen?

Additiv gefertigte Bauteile sehen idealerweise anders aus als Bauteile aus der konventionellen Fertigung. Das liegt an den Möglichkeiten, die durch das Aufbauen anstatt Abtragen entstehen, aber auch an Vorteilen wie Funktionserweiterungen. Entscheidend ist auch, dass additives Verfahren nicht gleich additives Verfahren ist und unterschiedliche Verfahren durchaus andere konstruktive Gestaltungen fordern. Auch spielen die Eigenschaften des Materials, des Druckers, die Nachbearbeitungsprozesse und natürlich die Kosten in die Design-Überlegungen mit ein.

Nebenbei gibt es auch noch Vorgaben, was das Bauteil leisten soll. Da muss es nicht gleich eine außergewöhnliche, bionisch-optimierte, „Mehr-Luft-als-Material-Geometrie“ sein, die den Konstrukteur bereits ins Schwitzen bringen kann. Gut, dass es Konstruktionssoftware gibt, die bei dem schwierigen Prozess hilft. Aber welche Funktionen sind wirklich sinnvoll, welche nur nice to have?

Mehr Additive Fertigung, mehr Tools

Je nachdem wie intensiv additiv gefertigt wird, sind auch die Ansprüche an die Konstruktionssoftware. Wer gar nicht druckt, sondern die Konstruktionsdaten an einen Auftragsfertiger übergibt, der benötigt „Softwarebausteine, die additives Design ermöglichen – populäre Beispiele hierfür sind Topologieoptimierung und Gitterstrukturen“, so Benedikt Altmann von Ambitious, der AM-Beratungstochter und Siemens-NX-Partner des Auftragsfertigers Toolcraft. So kann ein erstes Design für ein additives Bauteil erstellt werden. Zu beachten ist, dass die Geometrie sich noch ändern kann, sobald der Auftragsfertiger seine Expertise und vor allem auch die Anforderungen des additiven Verfahrens in die Konstruktion mit einfließen lässt.

Von Anwendung bis Vordeformation

Für Unternehmen, die eine Abteilung für Additive Fertigung (AM, additive manufacturing) aufbauen wollen, ist eine durchgängige Prozesskette vom Pre- bis zum Postprocessing sinnvoll, die sie in der Software abbilden können. „Die gesamte Umgebung für die Baujob-Erstellung spielt eine große Rolle“, so Altmann. Was heißt das konkret? Christine Schübel ist Geschäftsführerin von Schübel Primeparts. Der Tier-1-Zulieferer fertigt Prototypen, Vorserien und Kleinserien per Fräsen, Gießen und 3D-Druck. In Schübels Augen muss eine CAx-Software für die Additive Fertigung folgendes bieten:

• Simulation der Stützgeometrie (Supports): eine vollautomatische Generierung leicht zu entfernender bzw. gut zugänglicher Supports, wie beispielsweise bei E-Stage von Materialise

• FEM-Berechnung (Finite-Elemente-Methode)

• Topologieoptimierung im Hinblick auf bionische Strukturen

• bei der Geometrieauswahl unterstützen. Beispielsweise ob ein Kühlkanal in der aktuellen Anwendung besser tropfenförmig, rund, eckig oder ganz anders designt wird

• Kostenberechnung sowohl des additiven Bauteils je nach Verfahren als auch der alternativen konventionellen Geometrie in subtraktiven Verfahren

• Informationen über baustufenbedingte Oberflächenungenauigkeiten

• Bewertung der Simulation von Geometrien bezüglich Machbarkeit durch verschiedene additive Verfahren

• Spezialisierung auf ausgewählte Anwendungsfälle: Werkzeugbau (fokussiert auf Kühlkanäle), Flugzeugbau (fokussiert auf Turbinen, Leichtbaustrukturen), Vorrichtungsbau (fokussiert auf Kombination von AM-Teilen mit Normteilen, z.B. Anbindung von AM-Geometrie an genormte Spannelemente)

• Berechnung einer Vordeformation, die dem Verzug des Bauteils beim jeweiligen Verfahren entgegenwirkt.

Topologieoptimierung – das Streitthema

Braucht ein Konstrukteur alle diese Funktionen, um ein Bauteil für die Additive Fertigung zu designen? Nein, nicht zwingend, meinen befragte Branchenexperten. Gerade bei der Topologieoptimierung scheiden sich die Geister. Für die einen ist es die beste Methode ein Bauteil zu konstruieren, für die anderen einfach nur überflüssig. Johannes Lutz, Geschäftsführer des Beratungsunternehmens 3D Industrie, bezeichnet sie in seinem Buch „3D-Druck – Profi-Wissen“ sogar als „Softwaremonster“. Die Bauteil-Geometrie könne mit den Regeln der Kraftanalyse berechnet werden, so Lutz. Selbst Leichtbaustrukturen seien mit einem kleinen Denktrick nach Prof. Mattheck, der Kraftkegelmethode, möglich. Für Schübel von Schübel Primeparts zählt die Topologieoptimierung allerdings zu den wichtigsten Tools. Mir ihr lassen sich beispielsweise sehr schnell Spannstärken reduzieren. Zudem zählt Schübel auch die Berechnung einer Vordeformation sowie die Stützgeometrie- und die Kostensimulation als wichtigste AM-Module auf.

Die Einheit von Zugdreieck und Kraftkegel

Softwarebrüche sind der Standard

Spezielle, auf die Additive Fertigung abgestimmte Konstruktionssoftware verwendet Schübel Primeparts allerdings nicht. „Aktuell nutzen wir die von den Kunden gewünschten Formate“, so Christine Schübel. Das heißt, sie arbeiten mit Catia und NX. Für einen Ausbau oder gar Umstieg der Softwarelandschaft auf spezielle CAx-Software für AM sieht sie noch keinen Bedarf. Unter anderem auch, weil sich in ihrem Unternehmen erst nach Abschluss der Konstruktion entscheidet, ob das Bauteil additiv gefertigt wird oder konventionell.

Unternehmen, die für andere 3D-Drucken, erhalten die Daten in unterschiedlichen Formaten. Solidworks von Dassault Systèmes ist dafür ein beliebtes CAD-Programm, das auch Funktionen für additives Design anbietet. Glück hat, wer mit Dassault arbeitet. Wenn das Unternehmen, das denn Auftrag erhält, allerdings mit Programmen von PTC, Siemens, etc. arbeitet, müssen die Daten erst konvertiert werden. Aber selbst danach gibt es in vielen Unternehmen noch Software-Brüche: Vom CAD geht es zur Simulation und zur Baujobvorbereitung beziehungsweise -erstellung. Dafür wird vorwiegend die Software der 3D-Drucker-Hersteller verwendet, aber auch Programme von Softwareunternehmen, die sich darauf spezialisiert haben. Die Gefahr, dass Daten verloren gehen, besteht in aktueller Software nicht mehr. Inzwischen werden alle wichtigen Informationen übernommen – meistens als STL-Datei.

AM-spezifische Aufgaben an die Software

Bei der Baujoberstellung wird das Bauteil im Bauraum platziert, eine Nesting-Funktion für die optimale Bauraumausnutzung sollte also vorhanden sein. Dies impliziert bereits, dass die Software bzw. das Software-Modul auf das Verfahren und die Maschine ausgelegt ist. Wer nicht die Programme er 3D-Drucker-Hersteller verwenden will, der sollte darauf achten, dass seine Software entweder seinen Drucker enthält oder regelmäßige Updates mit Erweiterungen auf andere Verfahren und Maschinen anbietet.

Ist das Bauteil im Bauraum platziert, werden je nach Verfahren Stützstrukturen eingeplant. Diese berechnen die Programme zwar selbstständig, doch sollte immer nachgeprüft werden, ob auch wirklich alle sinnvoll sind und ob man nicht durch leichte konstruktive Anpassungen oder einer Umpositionierung im Bauraum, einige Supports vermeiden kann. Denn je weniger Supports, umso weniger Nachbearbeitung. Zusätzliche Gimmicks wie eine Optimierung hin zu einem reduzierten Überhitzungsrisiko, geringe Bauzeit und ein homogener Belichtungsquerschnitt verringern den Trial-&-Error-Prozess und sind zusammen mit Prozesssimulation und anschließender Kompensation der Bauteile laut Ambitious-Manager Altmann der Schlüssel zum Erfolg, um optimale Druckergebnisse zu erzeugen. Ist das Bauteil ausgerichtet und sind die Supports an den nötigen Stellen geplant, folgt das Slicen. Diese Unterteilung des Bauteils in Schichten (Slicen) ist die Grundvoraussetzung für den Druckprozess. Jedes Tool für die Baujobvorbereitung kann das. Aber können Sie einstellen, dass in unterschiedlichen Dicken gedruckt werden soll?

Eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Software ist wichtig

Egal ob Siemens, Dassault Système, Altair oder AM-Nachzügler PTC – die großen CAx-Software-Hersteller bieten die notwendigen Tools sowie einige Extras. Anwender sollten trotzdem prüfen, ob die Programme auf das von ihnen genutzte Verfahren und die Materialien ausgelegt sind. Und da in der Additiven Fertigung noch sehr viel am Entstehen ist, fügt Altmann von Ambitious hinzu, „ist die kontinuierliche Weiterentwicklung der Software entscheidend. Für eine langfristig ausgelegte Zusammenarbeit mit unserem Software-Partner sind uns Updates wichtig, die immer dem aktuellen Entwicklungsstandard entsprechen.“

Der Wechsel zwischen den Softwareprogrammen kann wild sein. Ein junges Unternehmen aus Sachsen-Anhalt beispielsweise konstruiert in Creo von PTC, nutzt Altair Inspire zur Topologieoptimierung, übergibt die Daten in das CAE von PTC oder Ansys, und schickt das Ergebnis als STEP-Datei an den Auftragsfertiger. Der wiederum arbeitet mindestens in Magics von Materialise. So sieht es bei den meisten Unternehmen aus. Leichter ist, auf nur einen Hersteller zu setzten. Ob die idealen Tools nur bei einem zu finden sind, muss jedes Unternehmen individuell entscheiden. Außerdem: Einsteiger und Unternehmen, die nur wenig drucken, benötigen nur die Grundlagen-Module für die Konstruktion und Baujobvorbereitung.

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