Additive Fertigung und CAM Open Source-Geometrie-Algorithmen für AM-CAM-Software

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Mit DAPComputationalGeometry veröffentlicht der RWTH-Lehrstuhl Digital Additive Production robuste Open-Source-Geometrie-Algorithmen. Sie senken Rechenzeit und Arbeitsspeicherbedarf in AM-CAM-Software.

Die Belastbarkeit digitaler Fertigungsprozesse entscheidet sich bereits bei der Überführung von Konstruktions- in Fertigungsdaten. Geometrische Informationen müssen dabei vollständig und eindeutig übertragen werden. Zugleich müssen sie sich auch bei wachsender Bauteilkomplexität mit vertretbarem Rechen- und Arbeitsspeicheraufwand verarbeiten lassen. Mit DAPComputationalGeometry stellt der Lehrstuhl Digital Additive Production (DAP) der RWTH Aachen Geometrie-Algorithmen für die Entwicklung von CAM-Software in der Additiven Fertigung (Additive Manufacturing, AM) als Open Source bereit. Die Bibliothek bietet robuste und performante Bausteine für die Datenaufbereitung. Unternehmen und Forschungseinrichtungen müssten diese Funktionen andernfalls mit erheblichem Eigenentwicklungsaufwand aufbauen.

Geometrie-Algorithmen für robuste und performante CAM-Software

AM-CAM-Funktionen (Computer Aided Manufacturing) wie die Orientierung von Bauteilgeometrien und ihre überlappungsfreie Positionierung im Bauraum durch Nesting beruhen auf Algorithmen zur Geometrieverarbeitung. Welche Algorithmen eingesetzt werden und wie sie implementiert sind, beeinflusst maßgeblich den Rechenaufwand, den Arbeitsspeicherbedarf und die Robustheit einer AM-CAM-Software. Das wirkt sich wiederum auf Herstellkosten, Durchlaufzeit und Qualität additiv gefertigter Bauteile aus.

Mit dem Trend zu größeren Bauteilen und Maschinen mit mehreren Lasern steigen die Datenmengen, die AM-CAM-Software verarbeiten muss. Weisen Datenstrukturen und Geometriealgorithmen schlechte Skalierungseigenschaften auf, kann die Rechenzeit von einigen Minuten auf mehrere Stunden oder Tage steigen. Gleichzeitig wächst der Arbeitsspeicherbedarf um ein Vielfaches – bis an die Grenze der praktischen Nutzbarkeit.

Leistungsfähigere Recheninfrastruktur kann diese Entwicklung nur begrenzt kompensieren. In vielen Fällen ließe sich der Mehraufwand durch effizientere Geometriealgorithmen vermeiden. DAPComputationalGeometry stellt entsprechende Funktionen bereit, um AM-CAM-Software für die Bauteilorientierung, die Stützstruktur-Generierung, das Nesting, das Slicing und die Scan-Strategie zu optimieren oder neu zu entwickeln.

Die Bibliothek ist in C# implementiert und baut auf den Open-Source-Bibliotheken geometry3Sharp und Clipper2 auf. Sie enthält umfangreiche Erweiterungen und Performance-Optimierungen, insbesondere für die Verarbeitung zweidimensionaler Polygone und Vektoren. Dazu gehören beispielsweise Geometrie-Algorithmen, die mehrere Polygone zu einem Polygon aggregieren. Dadurch lässt sich das Datenvolumen bereits vor rechenintensiven Verarbeitungsschritten reduzieren. Weitere Polygonoperationen vermeiden selbstschneidende Polygone robust und bereinigen nicht benötigte Polygonpunkte. Durch die Nutzung moderner C#-Sprachfeatures wie Span und SIMD werden Translationen und Rotationen von Geometrien deutlich beschleunigt.

Für industrielle Anforderungen entwickelt

Die in DAP-CG enthaltenen Funktionen sind im Rahmen industrienaher Entwicklungsaufgaben am DAP entstanden. Bei der Entwicklung einer Software zur Nesting-Optimierung im Projekt „Industrialization and Digitalization of Additive Manufacturing“ (IDAM) führte der Einsatz eines Algorithmus zur Polygonkompression zu einer fünffachen Reduktion des Arbeitsspeicherbedarfs beim Nesting.

Auch bei der Nutzung der Polygonkompression für Software zur Berechnung von Slicing- und Scan-Strategien sind Einsparungen in ähnlicher Größenordnung möglich. In der Praxis kann dies darüber entscheiden, ob sich ein großer Baujob noch auf einem gängigen Arbeitsplatzrechner mit 32 GB RAM verarbeiten lässt oder eine Workstation beziehungsweise ein Server mit deutlich mehr Arbeitsspeicher erforderlich ist. Bei gemieteter Recheninfrastruktur bestimmt sich dadurch außerdem, wie viel Speicher tatsächlich bezahlt werden muss.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Orientierer-Software des Lehrstuhls. Sie ermittelt anhand qualitäts- und kostenrelevanter Zielkriterien die günstigste Orientierung für die Fertigung eines Bauteils. Algorithmen aus DAP-CG berechnen dabei unter anderem, ob und in welchem Umfang die verschiedenen Orientierungsoptionen Stützstrukturen erfordern. Diese zählen zu den zentralen Kosten- und Nachbearbeitungsgrößen in der Additiven Fertigung.

DAP-CG in eigene Software integrieren

DAP-CG steht unter der Boost Software License, einer weitverbreiteten und permissiven Open-Source-Lizenz:

https://spdx.org/licenses/BSL-1.0.html

Die Bibliothek kann damit kostenfrei in Forschung und Industrie eingesetzt werden – auch in kommerziellen und industriellen Produkten.

Weitere Informationen und Zugriff auf DAP-CG: www.dap-aachen.de/dap-cg

Das Projekt „Industrialization and Digitalization of Additive Manufacturing“ (IDAM, FKZ: 13N15084) wurde durch das damalige Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert, heute Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR).

Quelle. Cui, Q.; Rong, V.; Chen, D.; Matusik, W. (2023): Dense, Interlocking-Free and Scalable Spectral Packing of Generic 3D Objects. In: ACM Transactions on Graphics 42 (4), S. 1–14. DOI: 10.1145/3592126.

Der Datensatz mit den 3D-Modellen der einzelnen Bauteile des Baujobs ist im Open-Source-Repository des Lehrstuhls verfügbar: github.com/Digital-Production-Aachen/OpenSourceAMManufacturingScenarioRepository

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