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3D-Drucksoftware: Wahre digitale Produktion

Die Fähigkeiten von 3D-Drucksoftware nehmen zu, da die Branche immer weiter ausreift.
 
In der Vergangenheit lag das Segment 3D-Drucksoftware tendenziell hinter dem Segment Hardware und Materialien zurück. Spannende Entwicklungen der letzten Jahre zeigen jedoch, dass dieses Segment schnell aufholt und dass es Unternehmen ermöglicht, komplexe Designs schneller zu erstellen, die Erfolgsquote beim Drucken zu steigern, die Teilequalität sicherzustellen und Arbeitsabläufe effizienter zu verwalten.
 
Da Software der Schlüssel zu einer rentablen Produktion im 3D-Druck ist, werfen wir einen Blick auf die Entwicklungen, die diese ermöglichen.
 
Werfen Sie einen Blick auf die anderen Artikel dieser Reihe:
 
Wie sich der Hardware-Markt für den 3D-Druck im Jahr 2019 entwickelt hat 
 
Die Entwicklung des Marktes für 3D-Druckmaterialien: Trends und Möglichkeiten des Jahres 2019
 

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[Bildnachweis: AMFG’s AM Industrielandschaft 2019]
 

Konstruktions- und CAD-Software: Erstellung von AM-spezifischen Werkzeugen

Bis vor kurzem war die CAD-Software (Computer-Aided Design) nicht für die Designanforderungen des 3D-Drucks optimiert worden.
 
Additive Manufacturing (AM) bietet die Vorteile einer höheren Designkomplexität. Für diese Vorteile ist jedoch ein anderer Entwurfsansatz erforderlich, der häufig als Entwurf für AM (DfAM) bezeichnet wird.
 
Das Entwerfen für AM bietet einzigartige Herausforderungen und Möglichkeiten, die in den traditionellen Entwurfsmethoden nicht zu finden sind. Es beinhaltet die Schaffung neuer Konstruktionspraktiken, die auf Materialreduzierung und Erforschung komplexer Konstruktionsmerkmale abzielen.
 
Langsam aber sicher tauchen diese Tools nun auf dem Markt auf. Die größten Impulse gingen von großen Softwareunternehmen wie Autodesk, Altair, Dassault Systems und PTC aus, die AM-Konstruktionsfunktionen im Rahmen ihrer CAD-Lösungen entwickelt haben.
 
So unterstützt beispielsweise Autodesk im Rahmen einer großen Investition in die AM-Technologie, die Entwurfsvorbereitung für den 3D-Druck durch seine Netfabb-Suite.
 
Mit Netfabb können Ingenieure Modelle aus einer Vielzahl von CAD-Formaten importieren, analysieren und auch reparieren, und Bereiche identifizieren, die Unterstützung benötigen. Netfabb kann auch verwendet werden, um Stützstrukturen halbautomatisch zu generieren und die Modelle so zu modifizieren, dass sie für die Produktion optimiert sind.
 
DfAM wurde auch als die nächste Grenze für die Creo CAD-Plattform von PTC anerkannt. In der neuen Version bietet Creo 6.0 eine integrierte Unterstützung für die spezielle geometrische Modellierung, die zum Erstellen von Leichtbaufunktionen erforderlich ist, einschließlich stochastischem Schaumstoff, konformen Gittern, formelgesteuerten und benutzerdefinierten Gittern.
 
Darüber hinaus können in Creo 6.0 die 3D-Druckausrichtung und die Unterstützungsstrukturen analysiert und optimiert werden. Dieses spart dem Unternehmen zufolge sowohl bei der Erstellung als auch bei der Bearbeitung nach dem Druck viel Zeit.
 

Fortschrittliche Design-Software

Eine Handvoll Unternehmen entwickelt CAD-Lösungen speziell für das Advanced Engineering. Ein Beispiel ist nTopology, das kürzlich die nTop Plattform herausgebracht hat, die entwickelt wurde, um technische Probleme zu lösen, bei denen Geometrie ein Engpass ist.
 
NTop ist eine rechnergestützte Lösung, die CAD-, Simulations- und CAM-Funktionen (Computer Aided Manufacturing) integriert, um Entwicklungsteams bei der Erstellung komplexer und optimierter Geometrien zu unterstützen.
 

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Generatives Design von nTopology nTop-Software [Bildnachweis: nTopology]
 

Beispielsweise können Ingenieure mit nTop das Gewicht reduzieren und die Leistung von Teilen maximieren. Sie können auch mehrere Belastungsbedingungen anwenden und für eine Vielzahl von Leistungskriterien optimieren, einschließlich Beanspruchung, Verschiebung, Steifheit und Gewicht – ein als Topologie Optimierung bekannter Prozess.
 
Interessant ist auch, dass die Software in der Lage ist, Teile aufzuteilen, um fehleranfällige STL-Dateien zu vermeiden und die Fertigungsdaten direkt auf Maschinen zu exportieren.
 
Hexagon ist ein weiteres Unternehmen, das den Rahmen für 3D-Druckdesignsoftware sprengt. Anfang dieses Jahres wurde AMendate übernommen, ein deutscher Anbieter von Topologieoptimierungssoftware für AM. AMendate wurde nun dem MSC Software-Zweig von Hexagon hinzugefügt, was zur Einführung der MSC Apex Generative Design-Software führte.
 
Die neue Designoptimierungslösung verbessert die Qualität durch Automatisierung von Designprozessen in Kombination mit eingebettetem Fertigungswissen.
 
Mit der Software soll ein Teiledesign erstellt werden, das innerhalb weniger Stunden einsatzbereit ist – ein Bruchteil der normalerweise erforderlichen Zeit. Dies verbessert die Produktivität im Vergleich zu alternativen Topologieoptimierungslösungen um bis zu 80 Prozent.
 
„Es gibt derzeit zwar eine Reihe von Softwarelösungen für die Designgenerierung, aber ihre Funktionen sind begrenzt. Sie sind zum Beispiel sehr zeitaufwendig. Es fehlt ihnen auch an vollständiger Automatisierung, und die Designs, die erstellt werden können, sind nicht komplex genug für echte geschäftliche Herausforderungen “, erklärte Thomas Reiher, Mitbegründer von AMendate und jetzt Director of Generative Design bei MSC.
 
Fortschrittliche Designtools, die unter Berücksichtigung von AM-Prozessen entwickelt wurden, sind der Schlüssel, um diese Herausforderungen zu meistern und eine größere Anzahl innovativer 3D-Druckanwendungen zu ermöglichen.
 

STL-Alternativen präsentiert

Um ein entworfenes Modell in 3D drucken zu können, müssen Ingenieure normalerweise die ursprüngliche CAD-Datei in STL konvertieren.
 
STL ist derzeit das beliebteste Dateiformat für den 3D-Druck, bei dem ein drei dimensionales Objekt als eine Reihe verknüpfter Dreiecke (Polygone) beschrieben wird. Trotz seiner Beliebtheit weist das Dateiformat viele Einschränkungen auf, die sich noch deutlicher zeigen, wenn komplexe Produktionsteile mithilfe des 3D-Drucks entworfen werden sollen.
 
Zum Beispiel kann STL die Farben, Texturen und anderen Designinformationen Ihres Originaldesigns nicht lesen.
 
Darüber hinaus werden Änderungen, die an der STL-Datei vorgenommen werden, nicht automatisch in der ursprünglichen Konstruktionsdatei im CAD wiedergegeben, wodurch der Konstruktionsprozess ineffizienter wird.
 
Wenn Sie komplexe Geometrien modellieren oder die Anzahl der Dreiecke erhöhen, um die Auflösung zu verbessern, besteht die Gefahr, dass die Größe einer STL-Datei so stark zunimmt, dass 3D-Drucker diese nicht mehr lesen können.
 
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, arbeitet die Branche an der Schaffung alternativer Dateiformate. Das bisher vielversprechendste ist 3MF, das vom 3MF-Konsortium entwickelt wurde.
 
Mit 3MF können 3D-Drucker CAD-Designdateien mit den vom ursprünglichen Designer vorgesehenen Farben, Texturen und anderen Designdaten in voller Wiedergabetreue lesen. Es soll auch erweiterbar und an neue 3D-Drucktechnologien anpassbar sein.
 

Simulationssoftware: Vorhersage von Fehlern zur Verbesserung der Wiederholbarkeit

Simulationssoftware bleibt weiterhin ein großer Schwerpunkt bei der Entwicklung von 3D-Drucksoftware. Der Hauptgrund dafür ist das Potenzial zu erhalten, die derzeitigen Fehlerquellen zu reduzieren oder sogar zu eliminieren, um reproduzierbare 3D-Druckergebnisse zu erzielen.
 

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Eine Simulation, wie sich ein Teil unter der Last verformt [Bildnachweis: ANSYS]
 

Die Simulation wird normalerweise in der Entwurfsphase verwendet, um das Verhalten eines Materials während des Druckvorgangs digital zu reproduzieren. Das bedeutet, dass die Simulationsergebnisse Aufschluss darüber geben können, wie ein Entwurf optimiert werden kann, um Build-Fehler zu vermeiden.
 
Heute ist die Mehrzahl der Simulationslösungen auf den 3D-Metalldruck ausgerichtet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Technologie mit einer Reihe komplexer technischer Herausforderungen verbunden ist. Es gibt viele Variablen, die den Aufbau während des Druckvorgangs beeinflussen können, beispielsweise den Pfad und die Intensität des Lasers und das Design der Trägerstrukturen.
 
Die Simulation hilft bei der Analyse der komplexen Phänomene, die während des Metall-3D-Druckprozesses auftreten, und verwendet Simulationsdaten zur Planung des Aufbaus, um die erfolgreichste Teileausrichtung und Unterstützungsstrategien auszuwählen.
 
2019 sind es viele AM-Simulationslösungen auf dem Markt erschienen, von größeren Unternehmen wie ANSYS und Siemens bis hin zu kleineren Softwareunternehmen, die ausschließlich AM-spezifische Lösungen wie Additive Works anbieten.
 
Das Engineering-Softwareunternehmen ANSYS ist ein Beispiel. Seit Anfang 2019 hat das Unternehmen drei wichtige Updates veröffentlicht, die viele neue Funktionen beinhalten.
 
Ein Update, das auffällt, ist ANSYS Additive Prep. Dieses Tool ist Teil der Softwarepakete ANSYS Additive Suite und ANSYS Additive Print.
 
Zu seinen Funktionen gehört die Möglichkeit, Heat Maps zu erstellen, mit denen Ingenieure vorhersagen können, wie sich die AM-Build-Ausrichtungen auf die Stützstrukturen, die Build-Zeiten, die Verzerrungen und die allgemeine Druckleistung auswirken.
 
In der neuesten R3-Version wurde ANSYS Additive Prep außerdem um einen neuen Build-Prozessor erweitert, mit dem Benutzer eine Build-Datei direkt auf eine AM-Maschine exportieren können, sodass die Verwendung einer STL-Datei überflüssig wird. Für 2020 steht auch ein Instrument zur Vorhersage der Auswirkungen der Wärmebehandlung am Horizont.
 
In jüngerer Zeit hat auch Altair eine neue Fertigungssimulationslösung für AM mit dem Namen Inspire Print3D auf den Markt gebracht.
 
Die Software zielt speziell auf das selektive Laserschmelzen (SLM) ab und soll ein schnelles und genaues Toolset zum Entwerfen und Simulieren des Herstellungsprozesses bieten.
 
Zu den wichtigsten Softwarefunktionen gehören die Erzeugung von Stützstrukturen in derselben Umgebung wie das entworfene Teil, die fortschrittliche thermomechanische Simulation, um die Nachbearbeitung zu reduzieren und teure Fehler zu vermeiden, das Erkennen großer Verformungen, übermäßiges Erhitzen und Delaminieren sowie die Möglichkeit, Dateien zu validieren und für den 3D-Druck fertigzustellen.
 
Im Bereich des Polymer-3D-Drucks ist e-Xstream, das 2013 von der MSC Software Corporation übernommen wurde, eines der wenigen Unternehmen, das sich auf Polymer- und Verbund-AM-Technologien spezialisiert hat.
 
Das Unternehmen hat eine Digimat-AM-Softwarelösung zur Simulation der FDM- und SLS-Prozesse entwickelt. Das Programm hilft bei der Vorhersage von Druckproblemen wie Verzug und der Kompensation von Verzerrungen. Darüber hinaus bietet die neueste Version von Digimat 2019.0 auch eine Simulation faserverstärkter Materialmodelle für Materialsysteme von DSM, Solvay Specialty Polymers und Stratasys Inc. an.
 
Als langfristiges Ziel wird e-Xstream auf seine Expertise in der Materialmodellierung zurückgreifen, um den Multi-Material-Druck anzugehen.
 
Die Fähigkeit, die Teile zum ersten Mal korrekt in 3D zu drucken, ist einer der Schlüsselfaktoren für eine stärkere Akzeptanz der Technologie. In Zukunft werden wir wahrscheinlich feststellen, dass Simulationssoftware mit neuen Funktionen zur Überwachung von Prozessen kombiniert wird. Auf diese Weise können Ingenieure die erwarteten simulierten Ergebnisse mit Echtzeit-Build-Daten bestätigen und letztendlich höhere Erfolgsraten beim Drucken erzielen.
 

Manufacturing Execution Systems: Workflow-Kontrolle und Rückverfolgbarkeit ermöglichen

In den letzten Jahren hat der 3D-Druck angefangen, von einem Verfahren zum Prototypenbau und zur Herstellung von Kleinserien zu einer Großserienproduktion überzugehen. Diese Verlagerung hat den Bedarf an Software aufgezeigt, mit der Unternehmen das steigende Produktionsvolumen bewältigen und ihre AM-Abläufe effizienter skalieren können.
 
Dies hat zur Entwicklung der Manufacturing Execution System (MES) -Software geführt, die speziell für die Anforderungen der AM-Industrie entwickelt wurde.
 

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Nutzung von AM mit MES-Software
 

MES-Software hilft dabei, die Punkte im AM-Workflow zu verbinden, sei es Anforderungsmanagement, Produktionsplanung oder Nachbearbeitungsplanung. Das übergeordnete Ziel von MES besteht darin, die für eine erfolgreiche AM-Produktion erforderliche Steuerung bereitzustellen, die Maschinenauslastung zu maximieren, eine größere Automatisierung einzuführen und die Rückverfolgbarkeit zu verbessern.
 
Ein wichtiger Trend für das Wachstum des MES-Software-Segments ist die Notwendigkeit einer durchgängigen Plattform, die flexibel genug ist, um an die individuellen Anforderungen der AM-Abteilungen angepasst zu werden. Nur sehr wenige Unternehmen bieten derzeit eine solche Lösung an.
 

Einführung in die Maschinenkonnektivität

Auch die Vernetzung von Maschinen und Maschinendaten wird immer wichtiger, da Unternehmen ihre Abläufe zunehmend digitalisieren. MES-Software wird eine größere Rolle dabei spielen, da verschiedene 3D-Drucker auf einer Plattform verbunden werden können.
 
So hat zum Beispiel AMFG kürzlich die Konnektivität mit EOS 3D-Druckern angekündigt. Dies bedeutet, dass Kunden von EOS-Maschinen ihren gesamten AM-Betrieb mit AMFGs MES verwalten und gleichzeitig über die Softwareplattform eine direkte Verbindung zu ihren Maschinen herstellen können.
 
Durch die Verbindung von Maschinen auf einer einzigen Plattform wird ein nahtloser Datenfluss ermöglicht, der die Rückverfolgbarkeit und Skalierbarkeit gewährleistet, die erforderlich sind, um AM für die Industrialisierung zu stärken.
 
Die MES-Software integriert nach und nach auch die Funktionen anderer Software. Einige Lösungen bieten beispielsweise die Möglichkeit, STL-Dateien zu reparieren und Modelle für den Druck vorzubereiten.
 
Ein weiteres Beispiel ist die Integration von QS-Managementfunktionen. Mit unserer MES-Plattform können Benutzer beispielsweise Dokumentationen importieren, sei es Berichte, Datenblätter oder 3D-Bilder, und diese mit dem physischen 3D-gedruckten Teil vergleichen, um sicherzustellen, dass die QS-Anforderungen erfüllt werden.
 
Ebenso wie die Design-Software eignen sich auch MES-Plattformen für die Kombination mit Lösungen der künstlichen Intelligenz (KI).
 
3D-Druck-Workflows sind sehr datenintensiv, was bedeutet, dass es viele Informationen zu Auftragsstatus, Maschinen- und Materialdaten gibt, die nicht nur überwacht und gesammelt, sondern auch analysiert und verarbeitet werden können (und sollten).
 
Durch die Integration von KI-Algorithmen kann die Software die gesammelten Daten analysieren und Vorschläge zur Verbesserung der Produktionsabläufe machen. Letztendlich bietet es eine bessere Übersicht darüber, wo sich wichtige Engpässe befinden und wie der Prozess optimiert werden kann, um eine höhere Produktivität zu erzielen.
 

Qualitätssicherungssoftware

Zahlreiche Unternehmen arbeiten daran, 3D-gedruckte Teile zu zertifizieren, um sie in der Produktion einsetzen zu können. Derzeit sind die beiden gängigsten Methoden zur Zertifizierung eines Teils, das den QS-Anforderungen entspricht sind zerstörende Prüfungen und CT-Scans, beide sind teuer, zeitaufwendig, verschwenderisch und führen nicht immer zu genauen Ergebnissen.
 
Die effizientere Art, den QS-Prozess zu unterstützen, ist die Überwachung im Prozess. In der Regel besteht die In-Process-Überwachung aus einer Kombination von Sensoren und Kameras in einem 3D-Drucker, mit einer Software, die die von den Sensoren erfassten Daten analysieren und auf sinnvolle Weise bereitstellen kann.
 
Ein Unternehmen, das eine solche Kombination anbietet, ist Sigma Labs. Das Softwarepaket PrintRite3D® enthält die Module INSPECT, CONTOUR und ANALYTICS. So kann z.B. das INSPECT-Modul den Schmelzpool (den Pool geschmolzener Metallflüssigkeit, der erzeugt wird, während der Laser das Pulver aufheizt) messen, um Anomalien zu erkennen und vorherzusagen
 

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3D Thermal Mapping und Imaging mit TED ™ (Thermal Emission Density) [Bildnachweis: Sigma Labs]
 

Die PrintRite3D-Software von Sigma Labs ist eine der wenigen Lösungen von Drittanbietern. In den meisten Fällen entwickeln die Hersteller von 3D-Metalldruckern die QS-Software in Domo. Die Anzahl der in die QS-Software integrierten Maschinen ist jedoch nach wie vor enttäuschend gering.
 
Zum Beispiel gibt es die EOS 3D-Drucker mit dem EOSTATE MeltPool-Tool und VELO3Ds Sapphire 3D-Drucker, die kürzlich in die neue Assure-Software integriert wurden.
 
Qualitätssicherung ist in der AM-Welt zum neuen Schlagwort geworden, da Unternehmen die Teilevalidierung beschleunigen und letztendlich Abweichungen im Druckprozess reduzieren möchten. Das bedeutet, dass mehr QS-Softwarelösungen auftauchen werden – und dieser Trend nimmt bereits langsam Gestalt an.
 

AM-Software im Rampenlicht: Ein schnell reifendes Segment

Im Vergleich zur Hardware war die Entwicklung von Software für AM in der Vergangenheit wesentlich langsamer. Es gab auch eine viel geringere Anzahl von AM-Softwareunternehmen, was sich auf den Innovationsgrad in diesem Segment ausgewirkt hat.
 
Dies hat sich in den letzten Jahren jedoch dramatisch geändert, da die Branche immer reifer wird und fortschrittlichere Lösungen auf dem Markt erscheinen. Von CAD über Simulation bis hin zu Workflow-Lösungen wird die Software entwickelt, um AM schneller und einfacher in die Produktion zu bringen.
 
In Zukunft dürfte sich das Tempo dieses Fortschritts beschleunigen und AM zu einer echten digitalen Fertigungslösung machen.