Materialverteilungen definieren 08.10.2020, 06:43 Uhr

Additive Fertigung: Diese Software bringt dem 3D-Druck großen Fortschritt

Forscher des Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung (IDG) haben eine Software entwickelt, die die Additive Fertigung weiter nach vorne bringt. Mit ihr lassen sich variierende Materialinformationen im Entwicklungsprozess einfach und schnell definieren.

Standfuß aus 3D-Drucker

Ein Standfuß aus dem Multimaterial-3D-Drucker dämpft Bauteile, die fest angeschraubt sind, und federt diese ab.

Foto: Fraunhofer IGD GmbH

Immer mehr Produktionen bedienen sich für bestimmte Bauteile und Lösungen der Additiven Fertigung. Sie unterscheidet sich zu traditionellen Fertigungstechniken darin, dass Bauteile schichtweise und nicht aus einem Block entstehen. Der Vorteil: Diese Technik bietet mehr Designfreiheit, es lassen sich neue Formen gestalten, Funktionen darin integrieren oder auch unterschiedliche Materialien miteinander kombinieren. Das alles ist innerhalb eines einzigen Druckprozesses möglich. Für die Industrie gewinnt die Kombination mehrerer Materialien zu Multimaterialien zunehmend an Bedeutung. In der Additiven Fertigung entstehen vor allem sogenannte Gradientenwerkstoffe. Sie weisen kontinuierliche Veränderungen der Eigenschaften im Querschnitt auf. Diese lassen sich erreichen, indem die Zusammensetzung der Materialien oder die Prozessparameter während der Herstellung verändert werden.

Schon gewusst? Wir haben einen Podcast zur Additiven Fertigung in Kooperation mit den VDI nachrichten. In der „Druckwelle“ gibt es alle 14 Tage eine neue Folge rund um die Entwicklung und Forschung des 3D-Drucks. Jetzt reinhören.

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Foto: Getty Images | Faysal Ahamed | Stefan Ilic

Ein Beispiel: An einem Dämpfungselement ist ein fließender Materialverlauf von hart zu weich erforderlich. Dadurch ist der Materialübergang weniger anfällig für Risse, als wenn das Material plötzlich wechselt. Entscheidend ist, dass sich die Materialeigenschaften innerhalb eines Bauteils ganz gezielt einstellen lassen. Bislang war es für Designer, Konstrukteure oder Dienstleister, die 3D-Druck anbieten, zeitaufwendig und umständlich, lokal variierende Eigenschaften auf CAD-Modelle zu übertragen. Deshalb teilte man normalerweise das Modell in Teilmodelle auf. Ihnen konnte man dann entsprechend die unterschiedlichen Materialien zuweisen. Das hatte aber auch den Nachteil, dass nur diskrete Materialübergänge möglich waren. Alternativ wies man das Material anhand von Bildern oder Texturen zu. Dies musste in einem Vorbereitungsschritt für den 3D-Druck erfolgen. Oftmals waren dafür spezielle Vorkehrungen oder manuelle Anpassungen notwendig.

Materialverteilungen und -verläufe interaktiv definieren – dank spezieller Software

Die Software Graded Multi-Material CAD, kurz GraMMaCAD, vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung (IGD) eröffnet der Industrie nun die Möglichkeit, im Entwicklungsprozess virtueller Produkte Materialverteilungen und -verläufe interaktiv zu definieren. Sie liefert die Antwort auf die Frage, wie sich mit geringem Aufwand lokal variierende Materialinformationen innerhalb eines dreidimensionalen Bauteils erzeugen lassen. Möglich macht dies ein graphisch-interaktiver Editor, der benutzerfreundlich konzipiert ist. Die Forscher nehmen das CAD-Modell dafür als Ausgangspunkt. Es kann dabei mit einem beliebigen CAD-Werkzeug modelliert worden sein. Dadurch unterstützt GraMMaCAD zahlreiche gängige CAD-Formate, wie unter anderem STEP, CATIA, JT, Pro/E und SolidWorks.

Die Forscher konzipierten die Software so, dass sie volumetrische Materialverteilungen und -verläufe erzeugt. Dafür setzten sie auf mehrere Ansätze. Mit dem ersten lassen sich eine oder mehrere CAD-Flächen des Modells auswählen. Im zweiten Ansatz kommen sogenannte Hilfsgeometrien zum Einsatz, wobei der Nutzer beispielsweise eine oder mehrere neu erzeugte Ebenen auswählen kann. Daraus entsteht ein gradierter Materialverlauf, der von den ausgewählten Flächen ausgeht. Allerdings kann man die Art des Materialverlaufs weiterhin graphisch-interaktiv beeinflussen.

Software erzeugt für CAD-Modelle automatisch den Materialverlauf

Weist der Nutzer Bauteilen des CAD-Modells Materialinformationen zu und aktiviert damit die automatische Errechnung der Materialkennwerte zwischen ihnen, ergibt sich der dritte Ansatz. Dann allerdings muss der Benutzer das CAD-Modell vorher in einer entsprechenden Software in Teilkörper zerlegen. Danach kann er jedem dieser Teilkörper entweder ein bestimmtes Material zuweisen oder ihn als gradiert einstufen. Die Software GraMMaCAD erzeugt nun automatisch den Verlauf des Materials – auf Basis der Umgebungsinformation. Aktuelle 3D-Druckmaschinen sind in der Lage, gradierte CAD-Modelle grundsätzlich zu realisieren, sofern sie mehrere verschiedene Materialien auf engem Raum verarbeiten können. Inzwischen gibt es auch sogenannte Multimaterial-3D-Druker. Sie schaffen es, auch funktional gradierte Objekte für anspruchsvolle Designs umzusetzen.

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Ein Beitrag von:

  • Nina Draese

    Nina Draese hat unter anderem für die dpa gearbeitet, die Presseabteilung von BMW, für die Autozeitung und den MAV-Verlag. Sie ist selbstständige Journalistin und gehört zum Team von Content Qualitäten. Ihre Themen: Automobil, Energie, Klima, KI, Technik, Umwelt.

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