Composite-3D-Druck: Prozesse simulieren, Produktionskosten abschätzen

• E-Xstream engineering, Teil des Geschäftsbereichs Manufacturing Intelligence von Hexagon, stellt neue Simulations- und virtuelle Fertigungsfunktionen für den Composite-3D-Druck vor.
• Damit können Anwender die Produktionskosten von Teilen aus polymerbasierter additiver Fertigung im Vergleich zu konventionellen Verfahren analysieren.
• Die Mikrostruktur des Verbundwerkstoffs lässt sich anhand von CT-Scans der hergestellten Teile validieren.

Die additive Fertigung mit Verbundwerkstoffen gewinnt auf dem Markt immer mehr an Bedeutung, da sie die Herstellung von stärkeren und leichteren Bauteilen automatisieren und die Leistung (zum Beispiel bei endlosfaserverstärktem Polymer) des zugrunde liegenden Materials auf den Zweck abstimmen kann. Die aktuelle Software Digimat von Hexagon ermöglicht es Unternehmen, den Prozess für den Composite-3D-Druck zu simulieren und die Gesamtkosten für die Herstellung jedes Teils zu berechnen, einschließlich des Materialverbrauchs, der Mitarbeiterzeit, der Energie und der erforderlichen Nachbearbeitungsschritte.

Mit diesem neuen Werkzeug kann ein Ingenieur eine ganzheitliche Betrachtung der Teileproduktion und der Nachbearbeitungsprozesse vornehmen und so die beste Prozesskette für die Produktion bestimmen. Dafür ist entscheiden, dass damit auch Batch-Optimierungen möglich sind, um viele Teile parallel zu drucken. Das steigert die Produktionskapazität und reduziert die Durchlaufzeit. Es kann auch in der Produktionsplanung eingesetzt werden, um die Gesamtbetriebskosten von Maschinen zu berücksichtigen und diese Kosten über die geplanten Produktionsmengen zu amortisieren. Diese Informationen werden für den Benutzer durch Plots und Tortendiagramme visualisiert, so dass die Kostenaufteilung für verschiedene Szenarien leicht analysiert werden kann.

Composite-3D-Druck: Nachfrage steigt, aber Anwendungen sind noch begrenzt

Die weltweite Nachfrage nach dem 3D-Druck von Verbundwerkstoffen wird bis zum Jahr 2030 auf 1,7 Milliarden US-Dollar anwachsen, aber die Anwendungen sind bisher aufgrund technischer Herausforderungen begrenzt. Dass sich die Faserausrichtung in verschiedenen Bereichen des Teils ändert, hat einen erheblichen Einfluss auf die mechanische Leistung. Die Kenntnis dieser Informationen kann den Ingenieuren beim Beheben von Qualitätsproblemen helfen und die Genauigkeit von Leistungsvorhersagen erheblich verbessern. Hersteller können nun ein Bauteil per CT-Scan scannen und das 3D-RAW-Bild importieren, um ein Finite-Elemente-Modell seiner Mikrostruktur (zum Beispiel kohlenstofffaserverstärktes Polymer) in Digimat zu erstellen und das Verhalten zu modellieren. Durch die Einbettung dieses validierten Materialmodells in seine CAE-Tools kann ein Konstrukteur Analysen durchführen, die Variationen innerhalb eines hergestellten Teils berücksichtigen. Damit kann er im Composite-3D-Druck Material einsparen oder Fehlerstellen vermeiden.

Höhere Genauigkeit bei der Einführung neuer Materialsysteme

Die Verbindung von physikalischen Messungen mit virtuellen Tests verbessert auch die Genauigkeit von Integrated Computational Materials Engineering-Prozessen (ICME), wenn ein neues Materialsystem eingeführt wird. Die Teileleistung kann mit dem simulierten Prozess verglichen werden, um das Materialmodell zu validieren und zu zertifizieren. Die CT-Scan-Validierung unterstützt auch Werkstoffexperten bei der Verfeinerung der manuell erstellten Mikrostrukturmodelle, um die Genauigkeit zukünftiger Simulationen zu verbessern.

Bei der Verfeinerung neuer Fertigungsprozesse können Anwender Informationen über das Bauteil, das verwendete Material, den 3D-Drucker oder den Prozess sowie deren physikalische Tests erfassen, während sie mit dem Material Lifecycle Management arbeiten. Die MaterialCenter-Software von e-Xstream engineering erfasst eine rückverfolgbare, validierte Datenbank mit diesen vertrauenswürdigen Materialeigenschaften, so dass sie in der Konstruktionsphase eines Produkts verwendet werden können. Mit dem Material Lifecycle Management lassen sich Informationen innerhalb multidisziplinärer Teams einfach dokumentieren und im gesamten Unternehmen weitergeben, so dass wertvolles Wissen für die Wiederverwendung durch autorisierte Anwender erfasst wird.

Interaktive Analyse des Materialverhaltens

Die Vorhersage des Materialverhaltens einer CT-gescannten Mikrostruktur ist ein rechenintensiver Prozess. So kann es beispielsweise mehrere Tage dauern, um ein komplexes Verhalten wie das Kriechen zu analysieren, wenn man nur mit der CPU der Workstation rechnet. Durch die Optimierung dieser Prozesse für Grafikkarten (GPUs) kann der Ingenieur nun einige Aufgaben interaktiv durchführen, denn die Ergebnisse liegen in wenigen Minuten vor. Benchmarks zeigen, dass die Zeit, die für die Analyse der Steifigkeit eines Materials benötigt wird, um 98 Prozent reduziert wird. Diese schnelle Rechenzeit, kombiniert mit der Einführung einer Kommandozeilenschnittstelle, ermöglicht auch die Verwendung von Digimat Finite-Elemente-Modellen innerhalb automatisierter, Cloud-basierter Optimierungs-Workflows auf Hochleistungs-Computing-Plattformen.

Bei der Herstellung von leistungsfähigen Strukturen, wie zum Beispiel Luft- und Raumfahrtkomponenten aus Verbundwerkstoffen, ermöglicht das Modell der progressiven Versagensanalyse (PFA) die Definition von Sicherheitsmargen für eine Struktur und die optimale Nutzung der teuren Materialien und Prozesse. Die neueste Version von Digimat führt diese komplexen Analysen des Camanho-Modells sehr schnell durch, so dass eine parametrische Studie zur Definition von Fehlertoleranzen und zur Maximierung der Produktionsausbeute möglich ist.

Weitere Informationen: www.e-xstream.com/products/digimat/whats-new-digimat-2021.1

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