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3D-Druck

Erstmals vollständige 3D-Druck-Prozesskette in Catia V5

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Forschungsziel erreicht: Einem internationalen Konsortium aus neun Partnern ist es in den vergangenen drei Jahren gelungen, ressourceneffizientere Produktionsverfahren für die Luftfahrtindustrie zu erarbeiten. Eine Schlüsselrolle hat dabei das von Cenit um entsprechende Schnittstellen erweiterte CAD-System Catia V5 gespielt.

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Projekt erfolgreich abgeschlossen: Im Projekt Bionic Aircraft wurde ressourceneffizientere Produktionsverfahren für die Luftfahrtindustrie entwickelt.
Projekt erfolgreich abgeschlossen: Im Projekt Bionic Aircraft wurde ressourceneffizientere Produktionsverfahren für die Luftfahrtindustrie entwickelt.
(Bild: Bionic Aircraft)

Das System das im Rahmen des Projekts Bionic Aircraft entwickelt wurde, kann erstmals den 3D-Druck-Prozess von Bauteilen vollständig in einer einzigen Softwarelösung abbilden – vom Design bis hin zur Nachbearbeitung. Dank der von der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT neu entwickelten bionischen Stützstrukturen der 3D-Druckteile auf Basis von Einheitszellen, können Software-Anwender künftig Material, Zeit und damit Kosten sparen – und das bei verbesserter Qualität. Die Forschungsergebnisse von „Bionic Aircraft“ dienen als Grundlage für branchenübergreifende Lösungen im Bereich Additive Fertigung. Erste Softwareschulungen haben bereits begonnen.

„3D-Druck und bionisches Design spielten von Anfang an eine wichtige Rolle. Schließlich hatten wir ein ambitioniertes Ziel, nämlich das Gewicht von Flugzeugbauteilen zu senken und so letztlich den Treibstoffverbrauch zu verringern“, erklärt Projektkoordinator Dr. Philipp Imgrund von Fraunhofer IAPT mit Sitz in Hamburg.

Additive Fertigung: geschlossene Prozesskette

Mit der von Cenit entwickelten Schnittstelle vom CAD-System Catia V5 zum 3D-Drucker lassen sich Bauteile nun erstmals direkt aus der CAD-Software drucken. „Entscheidend ist in diesem Zusammenhang, dass sämtliche Prozessschritte, inklusive der Nachbearbeitung, in Catia V5 abgebildet werden können“, sagt Jochen Michael, Senior Consultant bei Cenit und ergänzt: „Die Entwicklungsumgebung muss nicht mehr verlassen werden und es sind keine Datenkonvertierungen notwendig, was Zeit spart und die Qualität erhöht.“

Bionische Stützstrukturen automatisiert auswählen

Buchstäblich beflügelt von der Natur waren die Forschungsarbeiten des Fraunhofer IAPT. Ob Schmetterlingsflügel oder Baumkrone, die jeweiligen Gitternetz- und Verästelungsstrukturen inspirierten das Projektteam, material- und kostenreduzierte Stützstrukturen für die 3D-Teile zu entwickeln, die gleichzeitig einfacher zu entfernen sind.

Stützstrukturen geben additiv gefertigten Bauteilen an bestimmten Stellen während des Fertigungsprozesses Halt und müssen nach dem 3D-Druck manuell oder durch Fräsen entfernt werden. Zusätzlich zu den Neuentwicklungen hat das Team des Fraunhofer IAPT bestehende Stützstrukturen validiert und bestimmten Anwendungsfällen zugeordnet, sodass sie im 3D-Druckprozess künftig automatisiert ausgewählt werden können.

Abschließender Meilenstein: die Einheitszelle für die Gestaltung der Stützstrukturen

In den vergangenen Monaten haben die Projektpartner insbesondere an den Feinheiten der 3D-Druck-Prozesskette gearbeitet. Mit dem entstandenen Toolset werden die Stützstrukturen nun implizit erstellt. Das heißt, in Catia V5 wird anstelle der einzelnen Geometrien ein Volumen erstellt. An das Volumen wird ein Attribut in Form einer Farbe angehängt. Das Volumen wird erst in einem der Folgeschritte mit der Geometrie von Einheitszellen gefüllt. „Durch die Einheitszellen ist man frei in der Gestaltung der Support-Geometrie – ohne die Leistung des CAD-Systems zu beeinträchtigen. Möglich sind nun beispielsweise gradierte Stützstrukturen, die sich in verschiedenen Schichten in ihrer Struktur unterscheiden können“, erklärt Jochen Michael die Neuerung.

Seminartipp

Das Seminar Konstruktionsbionik vermittelt einen Überblick zu den Möglichkeiten der Bionik bei der Entwicklung neuer Produkte. Die Teilnehmer gehen selbst auf bionische Lösungssuche und lernen die Prinzipien der bionischen Gestaltoptimierung kennen.

Einheitszellen sind wiederverwendbar

Eine Einheitszelle kann man sich wie einen Würfel in beliebiger Größe vorstellen, in dem eine Geometrie erzeugt wird. Es können beliebig viele Einheitszellen definiert werden. Diese Einheitszellen werden in Schichten aufgeteilt. In der Konfigurationsdatei wird die Farbe (Attribut) mit der jeweiligen Einheitszelle verknüpft. Vorteil: Die Einheitszellen werden nur einmal erstellt und können beliebig oft wiederverwendet werden. Die Schichtdaten werden dabei in einem neutralen XML-Format abgelegt.

Post-Prozessor befüllt Flächen mit Einheitszellen

Im letzten Schritt kommt dann der von Cenit entwickelte Post-Prozessor zum Einsatz. Dieser erzeugt die maschinenspezifischen Daten. Er generiert die Pfade, die der Laser bei der Belichtung abfährt und befüllt die Flächen mit den vorgefertigten Einheitszellen. „Erst an dieser Stelle entsteht die eigentliche endgültige Geometrie“, erklärt Dr. Imgrund.

Buchtipp

Das Buch Additive Fertigung beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie. Das Buch richtet sich an Konstrukteure und Entwickler, um eine erfolgreiche Implementierung additiver Verfahren in ihren Unternehmen zu unterstützen.

Ergänzendes zum Thema
Bionic Aircraft: mehr Ressourceneffizienz in der Luftfahrtindustrie

Das von der Europäischen Kommission geförderte Forschungsprojekt „Bionic Aircraft“ (Fördernummer 690689) verfolgte zwischen September 2016 und August 2019 das Ziel, die Ressourceneffizienz in der Luftfahrtindustrie zu steigern. Neun internationale Konsortialpartner aus Industrie, Forschung und Entwicklung – darunter der IT-Spezialist Cenit und die Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT – erarbeiteten gemeinsam neue Methoden, Konzepte und Lösungen. Der Fokus lag dabei auf der Additiven Fertigung und dem bionischen Design.

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