Warum es seit 30 Jahren nicht funktioniert hat und wie wir das Problem endlich gelöst haben.
Die Teile, die aus Ihrem 3D-Drucker kommen, entsprechen nicht den Teilen, die Sie in Ihrer Finite-Elemente-Simulation modelliert haben. Jeder Ingenieur, der mit dem FDM-3D-Druck arbeitet, ist sich dessen in gewisser Weise bewusst. Die meisten haben Umgehungslösungen gefunden. Nur wenige haben offen darüber gesprochen, warum dieses Problem besteht, und noch weniger haben es an der Wurzel angegangen.
Führen Sie eine standardmäßige FEA-Spannungsanalyse an einer CAD-Datei durch, die Sie auf einem FDM-3D-Drucker drucken möchten, und Sie erhalten ein Ergebnis: saubere Konturdiagramme, Versagensvorhersagen, die auf den ersten Blick zuverlässig erscheinen. Das Problem ist, dass fast nichts davon berücksichtigt, wie der Druckvorgang das Ergebnis verändern wird.
Die herkömmliche FEA geht davon aus, dass das analysierte Bauteil isotrop und homogen ist. Diese Annahme funktioniert recht gut für Spritzguss, CNC-Bearbeitung und andere konventionelle Fertigungsverfahren. Für FDM-3D-gedruckte Bauteile ist sie jedoch grundlegend unzureichend.
Ein FDM-Bauteil besteht aus einem Stapel aufgetragener Schichten, von denen jede durch die jeweilige Werkzeugbahn/Werkzeugweg geformt und durch einen thermischen Prozess, der über das Bauvolumen hinweg variiert, mit benachbarten Schichten verbunden wird. Die Materialeigenschaften in Richtung der Schichtauftragung unterscheiden sich messbar von den Eigenschaften senkrecht dazu. Füllungsdichte, Muster und Ausrichtung beeinflussen die strukturelle Leistungsfähigkeit auf eine Weise, die ein Standard-FEA-Modell einfach nicht erfassen kann.
Die übliche Vorgehensweise ist die Verwendung eines sehr hohen Sicherheitsfaktors, der oft angewendet wird, um die Nichtberücksichtigung der Werkzeugbahnen/Werkzeugwege auszugleichen. Je nach Belastungsbedingungen mag dies eine vernünftige Annäherung sein, meistens ist dies jedoch nicht der Fall. Der Faktor kann zu konservativ sein, wenn Gewichtsreduzierung Priorität hat, und nicht konservativ genug für Versagensmodi, für deren Vorhersage er nie ausgelegt war. Das Ergebnis ist ein 3D-gedrucktes Bauteil, das überdimensioniert, schwerer und teurer ist, als es sein müsste. Und bei tragenden Anwendungen verschwindet ein Risiko, das nicht ordnungsgemäß quantifiziert wurde, nicht einfach dadurch, dass ein Sicherheitsfaktor angewendet wurde.
Handelsübliche FEA-Software wurde nicht für FDM oder den 3D-Druck im weiteren Sinne entwickelt. Die meisten gängigen Simulationswerkzeuge basieren auf Annahmen aus der konventionellen Fertigung: homogene Materialien, stabile Geometrien, vorhersehbare Prozessbedingungen. Die Fortschritte bei der Simulation der powder bed fusion sind beachtlich, und der Grund dafür ist aufschlussreich. In powder bed fusion-Systemen bleibt die Gesamtmaterialmenge in der Baukammer relativ konstant, wobei zu jedem Zeitpunkt nur ein lokaler Bereich der Wärmequelle ausgesetzt ist. Diese Konstanz ermöglicht es, Restspannungen, Verformungen und Baufehler mit angemessener Genauigkeit zu modellieren.
Sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie wurden verschiedene Ansätze erprobt, die jedoch jeweils an spezifische Grenzen stoßen. Die Verwendung anisotroper Materialmodelle und der Theorie von Verbundlaminaten erfasst zwar die Schwachstellen zwischen den Schichten, lässt jedoch die feinkörnige Anisotropie aufgrund kontinuierlich variierender Konturen, Rasterumkehrungen und wechselnder Materialorientierungen außer Acht. Die Modellierung einzelner Schmelzperlen ist zwar prinzipiell physikalisch korrekt, bei Bauteilen in Seriengröße jedoch von vornherein undurchführbar – die Anzahl der Netzelemente wird rechnerisch unüberschaubar, noch bevor man das Problem der Erzeugung eines sinnvollen Netzes gelöst hat. Die auf Einheitszellen basierende Homogenisierung wendet Materialeigenschaften auf Elemente an, die weit größer sind als einzelne Schmelzperlen, geht dabei jedoch von einer periodischen Materialstruktur aus, gegen die das FDM-Verfahren aktiv verstößt. Konturlinien folgen den Teilegrenzen, Füllmuster ändern an Wänden ihre Richtung, Rasterumkehrungen erzeugen lokal unterschiedliche Orientierungen, und spärlich gefüllte Bereiche verhalten sich ganz anders als dicht gefüllte. Die jedem Element zugewiesene homogenisierte Eigenschaft ist bestenfalls ein Durchschnittswert und weist im schlimmsten Fall den Rändern, Spannungskonzentrationen und dünnen Wänden, die am ehesten für ein Versagen verantwortlich sind, mit Sicherheit falsche Eigenschaften zu.
Allen Ansätzen liegt derselbe grundlegende Fehler zugrunde: Die Werkzeugbahn/Werkzeugweg wird eher als nachträglicher Einfall denn als primäre Eingabe betrachtet. Das Ergebnis sind Ansätze, die entweder zu kostspielig oder völlig unzureichend sind – und eine Branche, die dies durch den Druck weiterer Testteile, die Anwendung größerer Sicherheitsfaktoren und die Akzeptanz überdimensionierter Bauteile kompensiert hat. Dieser Arbeitsablauf ist für das Prototyping akzeptabel. Er lässt sich jedoch nicht auf Produktionsanwendungen übertragen, bei denen Teilegewicht, Materialkosten und Leistungsqualifizierung eine Rolle spielen.
Da das Vertrauen in FDM für strukturelle Anwendungen abnimmt, sind Ingenieure immer weniger bereit, diese Technologie für Produktionsteile vorzuschreiben – was den Anreiz, in bessere Simulationswerkzeuge zu investieren, weiter verringert. Der Kreislauf setzt sich fort.
Das Ergebnis ist eine verpasste Chance. Der FDM-3D-Druck birgt ein klares Potenzial für Werkzeuge, Vorrichtungen, Halterungen und strukturelle Anwendungen zur Produktionsunterstützung, bei denen geringeres Gewicht, niedrigere Kosten, kürzere Vorlaufzeiten und Konstruktionsflexibilität bedeutende Vorteile gegenüber der konventionellen Fertigung bieten. Ohne Simulationswerkzeuge, auf die Ingenieure vertrauen können, bleiben diese Vorteile ungenutzt.
Das Problem ist spezifisch, ebenso wie die Lösung. Um das mechanische Verhalten eines 3D-gedruckten FDM-Bauteils genau vorherzusagen, muss die Simulation Faktoren berücksichtigen, die bei herkömmlicher FEM-Analyse einfach außer Acht gelassen werden: die Richtung, in der jede Schmelzraupe aufgetragen wurde, und wie sich dies auf Steifigkeit und Stabilität / Festigkeit auswirkt; das Füllmuster und die Dichte über das gesamte Bauteil hinweg; die validierten, für den jeweiligen Drucker spezifischen Materialeigenschaften sowie die verwendete Schichtdicke – und nicht generische Werte aus Datenblättern; und vor allem die Geschwindigkeit, damit die Simulation ein praktischer Schritt wird und nicht zu einer Hürde, die übersprungen wird.
Dieser letzte Punkt ist wichtiger, als es zunächst erscheinen mag. Komplexe FEA-Simulationen können selbst auf Hochleistungs-Hardware viele Stunden in Anspruch nehmen. Wenn es schneller ist, einfach ein Testbauteil zu drucken und physikalisch zu prüfen, werden Ingenieure genau das tun. Ein Simulationswerkzeug, das keine schnelleren Ergebnisse liefert als die physikalische Alternative, wird das Verhalten der Ingenieure nicht ändern – ganz gleich, wie genau es ist.
Alle Informationen, die für eine physikalisch genaue FDM-Simulation benötigt werden, sind an einem Ort vorhanden: in den von der Druckvorbereitungssoftware generierten Werkzeugbahn-Daten. Die Werkzeugbahn weiß genau, wo jede Schmelzraupe aufgetragen wurde, in welcher Ausrichtung und mit welchem Füllmuster. Sie ist die vollständigste Beschreibung des fertiggestellten 3D-gedruckten Bauteils, die es gibt. Die Frage war schon immer, ob Simulationswerkzeuge diese Informationen nutzen würden.
NoviPath kehrt die Annahmen um, an denen frühere Ansätze gescheitert sind. Anstatt von der CAD-Geometrie auszugehen und zu versuchen, die aus dem FDM-Verfahren resultierenden Materialeigenschaften des Volumens zu integrieren, geht es von der Werkzeugbahn/Werkzeugweg aus: der einzigen Quelle, die sowohl die Geometrie- als auch die Prozessinformationen enthält, die erforderlich sind, um an jedem Punkt des Bauteils genaue, richtungsabhängige Materialeigenschaften zuzuweisen.
Die in GrabCAD Print Pro integrierte FDM-Simulations-Engine von Novineer liest die tatsächlichen GrabCAD-Werkzeugbahn-Daten aus, wobei sie die Bauausrichtung, die Schichthöhe, die Schichtrichtung und die Füllmuster sowie materialspezifische Eigenschaften berücksichtigt, und erstellt ein physikalisch genaues Modell des Teils, wie es im 3D-Druck entstehen wird. Die Simulation gibt das Bauteil so wieder, wie es tatsächlich gedruckt wurde, und nicht als stark vereinfachte Version davon.
Die Technologie basiert auf drei Kernkomponenten, von denen jede eine spezifische Einschränkung früherer Ansätze behebt.
In Kombination mit einer strengen Methodik zur Materialcharakterisierung, die 18 einzelne mechanische Eigenschaften pro Material, Schichtdicke und Drucker abdeckt, entsteht ein Modell, das widerspiegelt, wie das Bauteil tatsächlich hergestellt wurde, und nicht, wie es idealisiert wurde.
Novineer hat gezeigt, dass NoviPath Teile, die in etwa die Größe der F900-Bauplatte (406 mm × 470 mm) haben, in weniger als 10 Minuten simulieren kann, wobei auf handelsüblicher Hardware (in diesem Fall ein Intel® Core™ 7 240H (2,50 GHz) mit 16 GB installiertem RAM und 10 physischen CPU-Kernen). Die Genauigkeit dieser Modelle im Vergleich zu physikalischen Experimenten liegt zwischen 5 und 18 %. Details folgen in kommenden technischen Whitepapers.
Geschwindigkeit, Genauigkeit und Validierung sind integraler Bestandteil der Architektur – keine nachträglichen Einfälle. NoviPath ist darauf ausgelegt, präzise Ergebnisse so schnell zu liefern, dass die Simulation zu einem praktischen Schritt im Designzyklus wird. Ein Ingenieur kann die Bauausrichtung anpassen, Rasterwinkel ändern oder Konturen hinzufügen, die Simulation ausführen und die strukturellen Auswirkungen sehen, ohne GrabCAD Print Pro zu verlassen und ohne das Modell neu zu erstellen. Iterationen, die früher Tage dauerten, lassen sich auf Stunden verkürzen. Physische Testdrucke für Design-Iterationen sind nicht mehr erforderlich, was den Materialverbrauch, die Druckdauer und die Kosten bei jedem Zyklus reduziert.
Die validierte Materialbibliothek wird zum Start die Materialien Antero 800NA, FDM Nylon 12CF und ULTEM 9085 umfassen, wobei zunächst die Drucker F900, Fortus 450mc und F3300 unterstützt werden. Die Materialdaten stammen aus strengen Testversuchen mit Probekörpern, die auf bestimmte Drucker und Schichtdicken kalibriert wurden. An einem Steg für eine Automobil-Montagelinie / Produktionsstraße erzielte Novineer Gewichtsreduzierungen von bis zu 35 % bei gleichzeitiger Einhaltung der erforderlichen Sicherheitsfaktoren, wobei sich die Validierungszeit von Wochen auf Stunden verkürzte.
Die Anwendungen, bei denen dies am wichtigsten ist, sind genau jene, bei denen der FDM-3D-Druck bisher zurückgehalten wurde: tragende Werkzeuge und Vorrichtungen, strukturelle Fertigungshilfsmittel, Halterungen in Luft- und Raumfahrtprogrammen sowie Komponenten für Medizinprodukte, die eine Leistungsqualifizierung erfordern. In jedem dieser Fälle war nicht die Drucktechnologie das Hindernis. Es war vielmehr die Unfähigkeit, mit ingenieurtechnischer Sicherheit nachzuweisen, dass ein bestimmtes Teil, das auf eine bestimmte Art und Weise gefertigt wurde, unter einer bestimmten Belastung die geforderte Leistung erbringen würde. Das ist ein Modellierungs- und Simulationsproblem, das nun lösbar ist.
An dieser Stelle ist ein längerfristiger Trend erwähnenswert. Die FDM-Branche im Allgemeinen und Stratasys im Besonderen haben mehr als zwei Jahrzehnte damit verbracht, zu beweisen, dass sie konsistente, zuverlässige Bauteile herstellen können. Die Materialien sind gut charakterisiert. Die Prozesssteuerung ist ausgereift. Das verbleibende Hindernis für eine breitere Anwendung in der strukturellen Fertigung war nicht die Hardware, sondern die technische Sorgfalt und das nötige Vertrauen, um den Einsatz von FDM dort zu rechtfertigen, wo es auf die Leistung ankommt.
Das Schließen dieser Lücke verändert, was Ingenieure zu entwerfen bereit sind. Ingenieure, die auf ihre FDM-Simulation vertrauen, beschränken ihre Entwürfe nicht mehr auf das, was ebenso gut durch Zerspanung, maschinelle Bearbeitung oder durch Spritzgusswerkzeug hergestellt werden könnte. Sie beginnen, Bauteile zu entwerfen, bei denen es sich um Geometrien handelt, die nur im 3D-Druck hergestellt werden können und die die einzigartigen Möglichkeiten der additiven Fertigung voll ausschöpfen. 3D-Drucker haben bereits bewiesen, dass sie zuverlässige, komplexe Bauteile im Produktionsmaßstab herstellen können. Die Konstruktionsmöglichkeiten, die sich eröffnen, wenn die Simulation die Unsicherheit beseitigt, sind erheblich.
Das ist der Wandel, auf den diese Arbeit abzielt. Nicht ein besserer Sicherheitsfaktor. Nicht ein schnellerer Weg, ein Design zu genehmigen, das ohnehin schon überdimensioniert war. Ein Simulationsansatz, der die Sprache des FDM-Verfahrens spricht und Ingenieuren das Vertrauen gibt, die additive Fertigung so einzusetzen, wie sie es eigentlich kann.
