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CAD-Software Gradierte Bauteile intuitiv an CAD-Modellen definieren

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Mehrere Materialien zu Multimaterialien für die Additve Fertigung zu kombinieren wird für die Industrie immer wichtiger. Wie diese funktional gradierten Materialien an CAD-Modellen definiert werden können, haben Forscher des Fraunhofer IGD entwickelt.

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In Gramma-CAD können CAD-Modelle um funktional gradierte Materialübergänge (z.B. von fest nach flexibel) erweitert werden: Der Standfuß aus dem Multimaterial-3D-Drucker dämpft daran fest angeschraubte Bauteile und federt diese ab.
In Gramma-CAD können CAD-Modelle um funktional gradierte Materialübergänge (z.B. von fest nach flexibel) erweitert werden: Der Standfuß aus dem Multimaterial-3D-Drucker dämpft daran fest angeschraubte Bauteile und federt diese ab.
(Bild: Fraunhofer IGD)

Mit funktional gradierten Materialien lassen sich Bauteile anforderungsgerecht optimieren. Um Materialverteilungen elegant und intuitiv an CAD-Modellen zu definieren, nutzen Forscher des Fraunhofer IGD die Anwendung Gramma-CAD. Im Zusammenspiel mit dem Multimaterial-3D-Druck entstehen daraufhin neue Möglichkeiten, komplexere Bauteilanforderungen umzusetzen.

Lokal variierende Eigenschaften auf CAD-Modellen zu definieren, war bisher ein umständlicher und zeitaufwendiger Prozess für Designer, Konstrukteure oder 3D-Druck-Dienstleister.

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Dabei wird das Modell entweder in Teilmodelle unterteilt, denen dann verschiedene Materialien zugewiesen werden. Allerdings erlaubt dies meist nur diskrete Materialübergänge.

Oder man nimmt die Materialzuweisung anhand von Bildern (Texturen) vor, und zwar in einem Vorbereitungsschritt für den 3D-Druck. Hierbei muss die Gradierung erzeugt werden, indem die Texturinformation variiert wird – bei Geometrieänderungen sind also spezielle Vorkehrungen zu treffen oder manuelle Anpassungen werden notwendig.

Software-Lösung unterstützt zahlreiche CAD-Formate

Doch, wie lassen sich mit geringem Aufwand lokal variierende Materialinformationen innerhalb eines dreidimensionalen Bauteils erzeugen?

Die Software Gramma-CAD erzeugt interaktiv volumetrische Materialverteilungen und Materialverläufe. Dabei nutzt sie einen graphisch-interaktiven Editor. Ausgangspunkt ist ein CAD-Modell, das mit einem beliebigen CAD-Werkzeug modelliert wurde.

Die Lösung des Fraunhofer IGD unterstützt dabei zahlreiche gängige CAD-Formate, wie:

  • STEP
  • CATIA
  • JT
  • Pro/E
  • SolidWorks

In drei Schritten Materialverteilungen am CAD-Modell generieren

Anwender können in Gramma-CAD zwischen drei Ansätzen auswählen, um Materialverteilungen an dem CAD-Modell zu generieren. Mit dem ersten Ansatz können sie eine oder mehrere CAD-Flächen des CAD-Modells auswählen. Den zweiten Ansatz bilden sog. Hilfsgeometrien. Dabei kann der Benutzer z. B. eine oder mehrere neu erzeugte Ebenen wählen.

Die ersten beiden Möglichkeiten erzeugen einen gradierten Materialverlauf, welcher von den gewählten Flächen ausgeht, wobei die Benutzenden die Art des Materialverlaufs graphisch-interaktiv beeinflussen können. Der dritte Ansatz ergibt sich, wenn der Benutzer Bauteilen des CAD-Modells Materialinformationen zuweist und die automatische Errechnung (Interpolation) der Materialkennwerte zwischen ihnen aktiviert. In diesem Fall muss der Benutzer das CAD-Modell vorher in einer CAD-Software in Teilkörper zerlegen und kann dann jedem Teilkörper entweder ein bestimmtes Material zuweisen oder als gradiert deklarieren. Gramma-CAD erzeugt den Materialverlauf daraufhin automatisch anhand der Umgebungsinformation.

Materialeigenschaften eines Bauteils ganz gezielt einstellen

Im Vergleich zu traditionellen Fertigungstechniken ermöglicht die Additive Fertigung mehr Designfreiheit. In einem einzigen Druckprozess lassen sich damit neuartige Formen gestalten, Funktionen in Formen integrieren oder unterschiedliche Materialien kombinieren.

Gerade mehrere Materialien einzusetzen und zu Multimaterialien zu kombinieren, wird immer wichtiger für die Industrie. Sogenannte Gradientenwerkstoffe gehen speziell aus der Additiven Fertigung hervor. Dabei handelt es sich um Werkstoffe, deren Eigenschaften kontinuierlich entlang einer Raumrichtung ausgeprägt werden, zum Teil auch mehrerer Raumrichtungen oder der Geometrie bzw. den Belastungen des Bauteils folgend.

Eine solche Veränderung lässt sich erzielen, wenn die Materialzusammensetzung oder die Prozessparameter im additiven Herstellungsprozess modifiziert werden. Dann lassen sich die Materialeigenschaften innerhalb eines Bauteils ganz gezielt einstellen. Ein Anwendungsbeispiel wäre ein fließender hart-weich-Materialverlauf an einem Dämpfungselement, das dadurch am Materialübergang weniger rissanfällig ist, als wenn das Material abrupt wechselt – wie bei unserem Beispiel des Standfußes.

Welche 3D-Drucker eignen sich?

3D-Druckmaschinen, die mehrere verschiedene Materialien auf engem Raum verarbeiten können, sind in der Lage gradierte CAD-Modelle zu realisieren. Dazu zählen die Geräte der Serie J7 und J8 der Firma Stratsys. Doch mehr und mehr Multimaterial-3D-Drucker drängen auf den Markt und setzen funktional gradierte Objekte für anspruchsvolle Designs um, wie:

  • Mimaki 3DUJ-553
  • Arburg Freeformer
  • Druckkopf Aerosint Selective Powder Deposition Recoater

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