Experteninterview: ANSYS ‘Chef-Technologe über den Erfolg des Metall-3D-Drucks durch Simulationssoftware

Metall-3D-Druck kann ein heikles Geschäft sein. Aufgrund möglicher Probleme wie thermischer Verformung, Eigenspannungen, Rissbildung und Verzerrung ist der Druckprozess für Metalle oft schwer vorherzusagen und weitaus weniger kontrollierbar. Hier kommt die Simulationssoftware ins Spiel.
 
Simulationssoftware kann zum Entwerfen und Simulieren von Metallteilen und -prozessen verwendet werden, um Druckfehler in der Entwurfsphase zu minimieren, bevor ein Teil zum Drucken gesendet wird

Ein Unternehmen, das den Markt für Metallsimulationssoftware anführen will, ist ANSYS. Das Milliarden-Dollar-Unternehmen, das für seine Engineering-Simulationssoftware bekannt ist, ist mit seiner Additive Suite-Software, einer Reihe von Metallsimulations- und fortschrittlichen Konstruktionswerkzeugen, in den Bereich der additiven Fertigung eingetreten.
 
In Verbindung mit einer Reihe strategischer Akquisitionen, zu denen das Unternehmen für Metallsimulation, 3DSIM und das Materialunternehmen Granta Design gehören, unternimmt ANSYS aktiv Schritte, um seine Simulationsfähigkeiten für den 3D-Metalldruck zu erweitern.

Diese Woche sprechen wir mit Dave Conover, Cheftechnologe für additive Fertigung bei ANSYS, um zu erörtern, wie das Unternehmen Ingenieuren dabei hilft, die Welt des Metall – 3D – Drucks, die aktuelle Situation auf dem Metall – 3D – Druckmarkt und die Möglichkeiten für den Einstieg in die Technologie zu erkunden.
 

Können Sie uns etwas über ANSYS und die von Ihnen gelösten Probleme erzählen?

ANSYS ist Anbieter von Simulationssoftware für den Maschinenbau. In der Vergangenheit haben unsere Kunden mit unserer Software simuliert, wie ein Produkt im wirklichen Leben funktioniert.
 
Mit der Einführung der additiven Fertigung mussten jedoch nicht nur das Produkt und seine Verwendung simuliert werden, sondern aufgrund der Art des additiven Fertigungsprozesses auch der Prozess selbst. Dies beinhaltet das Betrachten von Dingen wie Teileverzug, möglichem Bruch und die Bildung von Rissen.
 
Als Teil unseres Design-Kontinuums wollten wir untersuchen, wie dieser additive Prozess am besten simuliert werden kann.
 
Jetzt stellen wir Tools für additive Prozesse zur Verfügung und beschäftigen uns auch mehr mit dem Gestaltungselement. Dazu gehört das Entwerfen für die Eigenschaften von Additiven mit Tools wie der
 
Topologie Optimierung. Hierbei handelt es sich um den Prozess, bei dem ein Computer das Design eines Teils anhand seiner funktionalen Anforderungen steuern kann.
 
Wir betrachten dabei auch Dinge wie Gitterstrukturen, die Sie nur mit Additiv herstellen können.

Können Sie uns einen tieferen Einblick in die Additive Suite von ANSYS und die Funktionsweise der Software geben?

Natürlich. Die von uns angebotenen Lösungen sind im Wesentlichen in drei Bereiche unterteilt.
 
Das erste Segment wurde für den Maschinenbediener oder Konstrukteure entwickelt, die eine Maschine zum Drucken eines Teils verwenden wollen. Sie benötigen ein Tool, mit dem sie schnell einen Einblick in die Verzerrung erhalten, die im Build erzeugt wird, und dass ihnen die Möglichkeiten bietet, diese Verzerrungen zu berücksichtigen – die auch als Kompensation bezeichnet wird.
 
Die erste Lösung, die wir haben, ist ein Tool namens Additive Print. Es richtet sich an den Maschinenbediener, der eine STL-Datei von der Konstruktionsgruppe erhält und dessen Aufgabe es ist, diese erfolgreich zu drucken.
 
Zweitens stellen wir auch Tools für das Designteam bereit, eine Gruppe, die unsere Produkte in der Vergangenheit verwendet hat, um zu untersuchen, wie sich ein Teil in der Realität verhält. Jetzt haben wir ihnen jedoch die Tools zur Verfügung gestellt, mit denen sie den Prozess auch simulieren können, damit sie ein Teil für die additive Fertigung im Voraus entwerfen können. 
 
Die dritte Lösung, die wir anbieten, heißt Additive Science. Dies ist ein Tool für Materialwissenschaftler und -ingenieure, die den Prozess entwerfen. Sie müssen die Maschinen verstehen und sich beispielsweise ansehen, welche Einstellungen für eine Maschine erforderlich sind, um einen guten Build zu erhalten, damit wir einen Build erstellen, der nicht sehr porös ist und die richtige Mikrostruktur hat, um die Leistung zu erzielen, die wir von einem Teil erwarten. 
 
Das sind also die drei Lösungen: eine für die, die ein Additivbauteil entwerfen, eine für die Leute, die die Maschinen bedienen, und schließlich eine für diejenigen, die versuchen, die optimalen Parameter für die Maschine herauszufinden, um einen erfolgreichen Aufbau zu erzielen.

Gibt es bestimmte Branchen, die am meisten von Ihrer Simulationssoftware profitieren?

Ein früher Anwender ist sicherlich die Luft- und Raumfahrtindustrie.
 
Wir haben hier frühes Interesse gesehen, weil AM Leichtbauprodukte anbietet und die Industrie auf diese komplexen, leichten und multifunktionalen Teile angewiesen ist. 
 
Die Biomedizin ist auch ein Bereich, der ein wachsendes Interesse an Metall-AM hat.
 
Tatsächlich verschiebt sich das Interesse am Metall-3D-Druck jetzt in viele andere Branchen, die nach Technologien suchen, um Wettbewerbsvorteile zu erzielen oder die Kosten für die einzigartigen Kleinserienprodukte zu senken, die derzeit entwickelt werden.
 

Sie haben das Interesse des biomedizinischen Sektors an Metall-AM erwähnt. Wie nutzt die Biomedizin die Technologie und wo passt die Simulation da hinein?

Die Hauptanwendungsgebiete hier sind Prothesen und Implantate, die typischerweise aus Metall bestehen. Der Schlüssel hier ist die Anpassung. Sie erstellen entweder eine oder eine kleine Charge bestimmter Größen, die patientenspezifisch sind. Mit Additiv ist dies sehr einfach möglich – es muss lediglich ein spezielles Design für das Implantat, die Prothese oder ein anderes medizinisches Gerät erstellt werden.
 
Das Problem, das Sie mit dem Metallprozess haben, ist natürlich, dass Sie Verzerrungen bekommen. Das Teil, das entworfen wurde, und das Teil, das aus dem Drucker kommt, sind aufgrund der thermischen Verzerrungen, die während des Erstellungsprozesses auftreten, nicht unbedingt identisch. 
 
Es ist wichtig, dies zu berücksichtigen und diese Verzerrungen rückgängig machen zu können. Durch die Simulation wird sichergestellt, dass Sie das Teil beim Entwerfen und beim Drucken in die gewünschte Form verziehen können, sodass es zum Gesicht oder zum Hüftimplantat des Patienten passt oder überall dort, wo es in einem medizinischen Eingriff benötigt wird.
 

Gibt es Einschränkungen in der vorhandenen Simulationssoftware – was kann die Technologie nicht?

Nun, die eigentliche Herstellung ist ein sehr komplexer Prozess. Es passiert viel, wenn Laser auf diese Pulverteilchen treffen. Es ist schwierig, die Physik überhaupt zu verstehen, geschweige denn in der Simulationssoftware zu erklären.
 
Daher sind in jeder Simulationssoftware heutzutage einige Annahmen enthalten, die die Genauigkeit einschränken. Dies ist derzeit wahrscheinlich der größte Nachteil: Sie können nicht so genau sein, wie Sie es sein möchten.
 
Das heißt, es ist sicherlich ein sich entwickelndes Gebiet, und es wird eine Menge Forschung betrieben, um den Prozess besser zu verstehen und Methoden zu finden, um ihn genauer zu simulieren. Wir sind an vielen Forschungsprojekten auf der ganzen Welt beteiligt und versuchen, dies voranzutreiben, um eine bessere Genauigkeit zu erzielen.
 
Das Besondere am 3D-Druck mit Metallen ist, dass Sie das Material herstellen, während Sie das Teil herstellen. Es unterscheidet sich sehr von allen anderen Herstellungsverfahren. 
 
Wir arbeiten also daran, zu verstehen, wie Sie die Prozessparameter so steuern können, dass das Material am Ende so herauskommt, wie Sie es möchten – mit der richtigen Ermüdungsbeständigkeit und der richtigen Porosität und Mikrostruktur -, damit Sie sich diese Ebene im Detail ansehen können
 

Wie weit sind wir davon entfernt, was meinen Sie?

Wir sind ziemlich nah dran. Wir werden im nächsten Jahr Produkte herausbringen, die solche Simulationen durchführen können.
 
Wir müssen zwar noch viel validieren und kalibrieren, um effektiv zu sein, sind jedoch zuversichtlich, dass wir den Prozess gut genug verstehen, um dies zu erreichen. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis wir die Software weiterentwickeln.
 

 
 

ANSYS erwarb 2017 das Metallsimulationsunternehmen 3DSIM. Was weckte damals den Wunsch, sich mit der additiven Fertigung zu befassen?

Unsere Kunden tauchten ganz einfach in die Technologie ein. Wir stellten fest, dass wir sie bei ihren Bemühungen unterstützen mussten: Sie nutzen unsere Tools, um Produkte zu entwerfen, und sie wechseln jetzt zur additiven Fertigung über. Sie brauchten die Tools, um ihre Produkte mit der Technologie entwickeln zu können. 
 
Wir haben auch früh erkannt, dass sie nicht nur beim Entwerfen von Produkten, sondern auch beim Verstehen der Technologie und des Prozesses selbst Hilfe benötigen – zum Beispiel bei Verzerrungen und Restspannungen. 
 
Als wir begannen, die Gelegenheit zu erkunden, wussten wir, dass wir nicht in der Lage sein werden, in naher Zukunft selbst eine Lösung zu entwickeln, insbesondere nicht wenn es dabei um Mikrostrukturen geht. 
 
So fanden wir 3DSIM, ein Unternehmen, das bereits begonnen hatte, sich in diesem Bereich zu engagieren. Sie hatten eine Menge großartiger Technologien entwickelt, hatten ein großartiges Team – und es war zu dieser Zeit eine natürliche Passform für uns.
 

ANSYS hat kürzlich auch das in Cambridge ansässige Unternehmen Granta Design übernommen. Welche Auswirkungen hat dies auf Ihre AM-Fähigkeiten?

 
Granta Design ist im Wesentlichen eine Materialinformationsfirma. Man könnte sogar sagen, dass sie das PLM von Materialdaten sind, da sie Materialdaten für Unternehmen verwalten.
 
Beim additiven Verfahren überschneiden wir uns damit, dass mit dem AM-Prozess viele Daten verbunden sind, wie zum Beispiel die Maschineneinstellungen. ANSYS und Granta Design sahen die Notwendigkeit, Unternehmen dabei zu helfen, diese Volumendaten zu kontrollieren und zu verstehen.
 
Ein Bereich, an dem wir zusammengearbeitet haben, ist beispielsweise die Verwaltung der Maschineneinstellungen. Das heißt, wenn ein Unternehmen eine Drucksimulation durchführt, können die auf seinen Druckern verwendeten Maschineneinstellungen in die Datenbank kopiert und einfach heruntergeladen und in das Simulationsprogramm übernommen werden.
 
In ähnlicher Weise können mit Granta, dass die Materialdaten verwaltet, diese Daten in die Simulationssoftware gezogen werden. Auf diese Weise können Sie sicher sein, dass Sie das richtige, validierte Material für dieses Unternehmen und für dieses Material verwenden. Wir machen auf der additiven Seite dasselbe – wir verwalten diese Daten.
 

Befinden sich weitere Partnerschaften in der Pipeline, über die Sie sprechen können?

Wir sind mit Sicherheit immer bemüht, das Ökosystem in unserem gesamten Produktstrom aufzubauen. Wir konzentrieren uns derzeit schon auf einige Bereiche. 
 
Eines ist unseren Physikraum erweitern. Wir haben kürzlich eine Optikfirma gekauft, als wir in die Optiksimulation einsteigen – oder, wenn Sie so wollen, in die Lichtsimulation. Dies ist beispielsweise sehr wichtig für den Bereich autonome Fahrzeuge, an dem wir stark beteiligt sind.
 
Im additiven Bereich arbeiten wir auch daran, ein Ökosystem aufzubauen. Wir beobachten ständig, wie unsere Kunden unsere Produkte einsetzen und wo ihre Schwachstellen liegen. Darauf basierend versuchen wir herauszufinden, ob wir bei der Bereitstellung einer Lösung helfen können, und ob dies auf organischer Basis oder durch eine Akquisition oder Partnerschaft möglich ist. 
 
Ich denke, es wird auf jeden Fall noch mehr geben, denn mit AM gibt es so viele Akteure und Komponenten, die ein Unternehmen zusammenstellen muss, um wirklich zu einem effektiven Herstellungsprozess zu gelangen. Wenn wir also so viele dieser Lösungen wie möglich bereitstellen können, um diesen Workflow so einfach wie möglich zu gestalten, werden alle davon profitieren können. 

Welchen Rat würden Sie einem Unternehmen geben, das Metall-3D-Druck einsetzen möchte?

Es ist sicherlich korrekt, das große Unternehmen über die Ressourcen und die Fähigkeiten verfügen in die Technologie einzutauchen. Aber es ist etwas schwieriger, wenn Sie ein kleines Unternehmen sind. 
 
Obwohl es schon ein paar Dinge gibt, die sie tun können. 
 
Eines der ersten Dinge, die Sie herausfinden müssen, ist, welche Teile und Ideen Sie produzieren können, die wirtschaftlich sinnvoll sind. Viele 3D-Druck-Servicebüros verfügen über dieses Fachwissen und können Sie beraten und Teile für sie fertigen.
 
Das Nutzen dieser Service Büros ist eine Möglichkeit, sich mit der Technologie zu beschäftigen. Anstatt also in Maschinen zu investieren und zu versuchen, sie zu verstehen, was eine enorme Anstrengung ist, müssen Sie nur einige Designs entwerfen und diese von einem Drittanbieter für Sie drucken lassen.
 
Es ist auch wichtig zu wissen, dass Sie ein Gerät nicht einfach mitnehmen, anschließen und vom ersten Tag an mit dem Drucken beginnen müssen. Es wird einige Zeit dauern, um das Fachwissen und das Verständnis für die Technologie aufzubauen. Natürlich gibt es viele Kurse, Fachkenntnisse und Beratungsleistungen auf dem Markt, die Sie ebenfalls in Anspruch nehmen können.
 
Schließlich ist es auch eine Frage der Geduld. Sicherlich werden die Maschinen immer besser und es gibt allgemein ein besseres Verständnis in der Branche als vor fünf Jahren. Schließlich wollen wir einen Punkt erreichen, an dem wir nur noch die Maschinen anschließen müssen, wie Sie es in einem normalen Herstellungsprozess tun würden. Ich denke, wir werden das auch mit dem 3D-Druck schaffen, aber wir sind noch nicht ganz da. Es wird daher noch einige Zeit dauern bis sich die Technologie soweit entwickelt hat. 
 

Wie sehen Sie den aktuellen Stand des 3D-Metalldrucks?

Es war wirklich interessant zu beobachten, wie sich dieser weiterentwickelt hat. Am Anfang war definitiv viel Hype – die Hype-Kurve von Gartner spricht darüber, vor allem, wenn als die Early Adopters einsprangen.
 
Dann gab es eine Phase der Flaute, in der die Branche erkannte, dass dies nicht so einfach sein würde, wie es zunächst schien. 
 
Aber ich denke, dass wir die se beiden Phasen durchlaufen haben. Die Erwartungen sind jetzt viel realistischer und es gibt ein besseres Verständnis dafür, was mit Additiv getan werden kann und wie schnell es angewendet werden kann.
 
Ich denke, jetzt erleben wir einen Aufschwung: Ich gehe davon aus, dass die Verkäufe von Metall-3D-Druckern in den kommenden Jahren weiter steigen werden, vielleicht nicht so aggressiv wie in den ersten ein oder zwei Jahren. Wir werden jedoch feststellen, dass die Akzeptanz in allen Branchen stetig zunimmt, nicht nur in der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Medizintechnik.
 
Mit anderen Worten, wir sind definitiv über den Berg.

Welche Herausforderungen müssen Ihrer Meinung nach noch gelöst werden, um die Übernahme der Technologie zu beschleunigen?

Es gibt so viele kleine Stücke. Ich erwähnte bereits, dass die Maschinen und die Technologie, die hinter den Maschinen steht, noch ausgereift werden müssen.
 
Ein weiterer Teil ist das Verstehen des Workflows und die Überführung in einen regulierten Prozess, der beschreibt, wie wir vom Design über die Produktion bis zur Nachbearbeitung vorgehen. Dieses vollständige Verständnis wird noch etwas länger dauern. 
 
Dann ist da noch die Frage der Nachbearbeitung. Faktoren wie, wie werden diese Teile wärmebehandelt und wann werden sie wärmebehandelt? In diesem Bereich wird derzeit eine Menge Arbeit geleistet, aber selbst diese Dinge werden einige Zeit in Anspruch nehmen, um sie zu verstehen und weiterzuentwickeln. 
 
Letztendlich ist das gesamte AM-Ökosystem fragmentiert: Es gibt viele kleine Lösungen und Unternehmen, die Sie zusammenfügen müssen, um einen Workflow und eine End-to-End-Lösung zu erstellen. 
 
Diese Konsolidierung muss fortgesetzt werden. Ich denke, das wird die Dinge einfacher machen, insbesondere für ein Unternehmen, das nicht die Möglichkeit hat, eine ganze Reihe unterschiedlicher Software und Hardware zu kaufen, um eine End-to-End-Lösung zu erhalten.
 

Irgendwelche letzten Gedanken? 

Abschließend möchte ich sagen, dass wir uns mit Additiv bereits auf den Weg gemacht haben. 
 
Wir haben unser Ziel jedoch noch nicht ganz erreicht: Die Maschinen sind noch nicht da, das Verständnis für den gesamten Prozess ist noch nicht da. Aber was aufregend ist, ist, dass wir allmählich dorthin gelangen. 
 
Bei ANSYS arbeiten wir mit Kunden und Lieferanten eng zusammen und entwickeln Forschungsinitiativen, um unser Ziel voranzutreiben. Wir planen, unsere Tools weiterzuentwickeln, um sie zu verbessern. Wir hoffen, dass wir den Punkt erreichen, an dem wir genau wissen, wie man für additive Fertigung konstruiert und baut – dann wir es ein Kinderspiel werden, wie es heute bei der spanenden Bearbeitung der Fall ist.
 
Weitere Informationen zu ANSYS und seinen Simulationslösungen finden Sie unter: https://www.ansys.com/