Produktionskosten für den 3D-Druck abschätzen
Neue Funktionen der Plattform ›Digimat‹
e-Xstream engineering, ein Teil des Hexagon-Geschäftsbereich ›Manufacturing Intelligence‹, hat die Verfügbarkeit neuer Funktionen seiner Plattform ›Digimat‹ für die Simulation und virtuelle Fertigung bekanntgegeben. Damit sind Anwender in der Lage, die Produktionskosten für polymerbasierte, additiv gefertigte Teile gegenüber herkömmlichen Verfahren zu analysieren und zudem ihre virtuellen Planungsprozesse stetig zu verbessern, indem sie die Mikrostruktur der Verbundwerkstoffe mithilfe von CT-Scans der gefertigten Teile überprüfen.
Die additive Fertigung mit Verbundwerkstoffen gewinnt Zuspruch im Markt, da sie nicht nur eine automatisierte Produktion stabilerer und leichterer Komponenten als bei metallbasierten Verfahren ermöglicht, sondern auch eine zielgenau konfigurierte Leistungsfähigkeit des Grundwerkstoffs sichert (z.B. mittels endlosfaserverstärkter Polymere). Mit der neuesten Digimat-Version können Unternehmen den 3D-Druckprozess simulieren und die Gesamt-Produktionskosten für jedes einzelne Bauteil vorausberechnen – inklusive Material- und Energieverbrauch, Arbeitsaufwand, sowie erforderlicher Nachbearbeitung.
Mithilfe dieses Tools erhalten Ingenieure einen ganzheitlichen Blick auf die Produktions- und Nachbearbeitungsprozesse, um daraus die optimale fertigungstechnische Prozesskette zu ermitteln. Außerdem kann Digimat auch für die Optimierungen von Batch-Abläufen genutzt werden, um möglichst viele Teile parallel zu drucken, sodass Produktionskapazitäten steigen und die Vorlaufszeit reduziert wird. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Produktionsplanung, wobei die Gesamtkosten der Maschinen und deren Amortisierung bezogen auf die erwarteten Produktionsmengen betrachtet werden. Die Visualisierung dieser Informationen erfolgt über Kurvendiagramme und Tortengrafiken, sodass die Kostenaufschlüsselung äußerst einfach für wechselnde Szenarios analysiert werden kann.
Nach Analystenmeinung wird die weltweite Nachfrage nach Verbundwerkstoffen im 3D-Druck bis 2030 auf 1,7 Milliarden US-Dollar (~1,4 Mrd. Euro) ansteigen, die Einsatzfelder sind jedoch aufgrund technischer Hindernisse bislang begrenzt. Der Umstand, dass sich die Ausrichtung der Fasern in den verschiedenen Bereichen eines Teils ändern kann, wirkt sich im erheblichen Maße auf dessen mechanische Leistungsfähigkeit aus. Die Kenntnis dieser Informationen kann Ingenieuren dabei helfen, Qualitätsprobleme zu beheben und ermöglicht zudem deutlich genauere Vorhersagen zum Leistungsvermögen der Teile.
Jetzt können Hersteller ein Bauteil einem CT-Scan unterziehen und das dreidimensionale RAW-Bild importieren, um anschließend in Digimat ein Finite-Elemente-Modell von dessen zweiphasiger Mikrostruktur (z. B. kohlefaserverstärktes Polymer) zu erstellen und das Verhalten zu modellieren. Durch die Einbettung dieses validierten Werkstoffmodells in ihre CAE-Tools (Computer Aided Engineering) können Konstrukteure Analysen durchführen, die Schwankungen innerhalb eines gefertigten Teils berücksichtigen – sei es, um den Materialverbrauch zu reduzieren oder um potentielle Schwachstellen zu vermeiden.
Die Kombination aus physikalischen Messungen und virtuellen Tests verbessert die Genauigkeit der ICME-Verfahren (integrierte computergestützte Materialentwicklung), wenn ein neues Materialsystem eingeführt wird. Die Leistungsfähigkeit eines Bauteils kann mit dem simulierten Prozess verglichen werden, um das Materialmodell zu validieren und zu zertifizieren. Zudem unterstützt die Validierung per CT-Scan die Materialexperten dabei, ihre manuell erstellten Mikrostrukturmodelle zu verfeinern, um die Genauigkeit zukünftiger Simulationen weiter zu verbessern.
Bei der Optimierung neuer Fertigungsprozesse können Anwender im Rahmen des Material Lifecycle Management alle relevanten Informationen über das Bauteil, das verwendete Material, den 3D-Drucker oder den Prozess sowie die physischen Tests erfassen. Die Software MaterialCenter von e-Xstream engineering erstellt daraus eine rückverfolgbare, validierte Datenbank dieser belastbaren Materialeigenschaften, sodass sie in der Planungsphase eines Produkts genutzt werden können. Mit Hilfe dieses Material-Lebenszyklus-Managements können Informationen komfortabel innerhalb multidisziplinärer Teams dokumentiert und im gesamten Unternehmen ausgetauscht werden, um wertvolles Wissen für die Wiederverwendung durch autorisierte Benutzer zu erfassen.
Die Prognose des Materialverhaltens einer CT-gescannten Mikrostruktur ist ein rechenintensiver Prozess. Es kann beispielsweise mehrere Tage in Anspruch nehmen, um ein komplexes Verhalten wie das Kriechen zu analysieren, wenn dazu ausschließlich die zentralen Recheneinheiten (CPUs) genutzt werden. Durch die Optimierung dieser Prozesse für Grafikprozessoren (GPUs) können einige dieser Aufgaben jetzt jedoch interaktiv durchgeführt werden, da die Ergebnisse in Minutenschnelle vorliegen.
Vergleichstests zeigen, dass die erforderliche Zeit zur Steifigkeitsanalyse eines Werkstoffs auf diese Weise um 98 % reduziert wird. Diese kurzen Rechenzeiten, kombiniert mit der Einführung einer Befehlszeilen-Schnittstelle, ermöglichen zudem die Verwendung von Finite-Elemente-Modellen aus Digimat innerhalb automatisierter, cloud-basierter Optimierungs-Workflows auf Hochleistungs-Rechenplattformen.
Bei der Produktion von Hochleistungsstrukturen, beispielsweise Komponenten aus Verbundwerkstoffen für die Luft- und Raumfahrt, ermöglicht das Modell der progressiven Versagensanalyse (PFA) die Definition von Sicherheitsmargen für eine Struktur und gewährleistet eine optimale Nutzung der kostenintensiven Materialien und Prozesse. Die neueste Version von Digimat führt diese komplexen Modellanalysen nach Camanho doppelt so schnell aus, sodass eine parametrische Studie erfolgen kann, um zulässige Fehlertoleranzen zu definieren und den Produktionsertrag zu maximieren.
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