Designoptimierungsstrategien für den Übergang von traditioneller Fertigung zu HP Multi Jet Fusion

Beitragsbild Design-Optimierung

Quelle: HP

3D-Modelle werden auch schon für moderne abtragende Fertigungsverfahren oder für die Herstellung von Gussformen benötigt. Allerdings liegen hier noch Beschränkungen im Bereich der Designfreiheit vor. Mit dem Aufkommen der additiven Fertigung wurden auch hier die Grenzen des Möglichen deutlich verschoben. Im folgenden werden wir Ihnen drei Re-Designstrategien vorstellen, die Ihnen helfen das Potenzial des 3D-Druck auszuschöpfen.

  1. Aushöhlen von massiven Bauteilen
  2. Gitternetzstrukturen
  3. Topologieoptimierung

Vorüberlegungen fürs Re-Design

Die Potenziale des 3D-Druck kommen während des gesamten Produktentwicklungszyklus zum Tragen. Im folgenden wollen wir Ihnen Strategien vorstellen, wie Sie ein schon vorhandenes Produkt in Bezug auf das Gewicht und die Kosten optimieren können. Das Re-Design von Produkten ist immer auch eine Kosten-Nutzen-Frage. Vier Faktoren bestimmen die Sinnhaftigkeit von Designanpassungen an den 3D-Druck:

  • Die mechanischen Belastungen des Objekts.
  • Das angestrebte Produktionsvolumen.
  • Die allgemeine Größe des Objekts.
  • Die Massivität/Dicke des Objekts.

Allgemein gesagt sind die besten Kandidaten für ein Re-Design, große/massive Objekte.


Re-Designstrategien

Zur Optimierung von 3D-Modellen für den 3D-Druck stehen unterschiedliche Strategien zur Verfügung. Zum einen die automatisierten Funktionen des Aushöhlens von massiven Körpern und das Einfügen von Gitternetzstrukturen in Hohlräume. Zum anderen ein eher manuelles Re-Design von Objekten, zu denen auch das Verfahren der Topologieoptimierung gehört. Letztere sind recht aufwendig und Zeit-/fähigkeitsintensiv.


1. Aushöhlen

Aushöhlen am Beispiel einer ausgehöhlten Kugel

Augehöhlte Kugel zur Materialreduzierung.

Beim Aushöhlen wird vor allem Material und Bindemittel gespart. Wenn dann noch das unbenutzte Materialpulver aus dem Hohlraum entfernt werden kann, sparen Sie auch noch einen spürbaren Teil an Gewicht. Für das Entfernen des unbenutzten Materialpulvers werden „Escape Holes“ benötigt. Die Materialkosten sind aber nur ein Kostenfaktor im 3D-Druck (der andere wichtige ist der verbrauchte Bauraum), daher sind die Kosteneinsparungen auch stark bauteilgeometrieabhängig. Das Aushöhlen funktioniert automatisch, mithilfe von Softwareoptionen, dadurch ist es sehr schnell und einfach durchzuführen. Beachten sollten Sie allerdings, dass dadurch sich die mechanische Belastbarkeit des Objekts ändern könnte. Das Aushöhlen ist an ausreichend dicke Wandstärken gebunden (empfohlen werden min. 2 mm besser 2,5 mm).


2. Gitternetzstrukturen

Das Einfügen von Gitternetzstrukturen bei sonst massiven Objekten, ist bei mechanisch stark belasteten Objekten sinnvoll. Da die mechanische Belastbarkeit gegenüber der massiven Variante kaum Einschränkungen erfährt. Verfahrensbedingt kann es bei Wandstärken ab 10 mm zu leichten Einschränkungen der Oberflächenqualität kommen (Verzug, Schrumpfung), hier helfen Gitternetzstrukturen das Problem zu beheben. Bei dieser Maßnahme werden keine „Escape Holes“ benötigt, das unbenutzte Materialpulver kann in der Konstruktion verbleiben. Falls Sie Fragen zu diesem Vorgang haben, kontaktieren Sie uns.
Bevor die Strukturen eingefügt werden können, muss das Objekt ausgehöhlt werden. Beide Schritte können automatisch von einer Software erledigt werden. Bei der Wahl der Struktur des Gitters haben Sie mehrere Optionen zur Auswahl (Fachwerk, organische Strukturen, Waben, etc.) und können diese Ihren Ansprüchen entsprechen verwenden. Für die Wahl der geeignetsten Gitternetzstruktur gibt es drei wichtige Aspekte:


Ausgehöhlte Kugel mit Gitternetzstrukturen zur Stabilisierung

Wabenstrukturen zur Verbesserung der mechanischen Belastbarkeit.

  1. Die Geometrie: Die Ausgestaltung der einzelnen „Zellen“ des Gitternetzes bestimmt die mögliche Lastverteilung und damit die mechanischen Eigenschaften der gesamten Struktur.
  2. Die Zellengröße: Je größer die Zellen sind, die das Gitternetz bilden, desto weniger werden dafür gebraucht, d. h. die Gewichtsreduktion ist am größten aber auch der Verlust an mechanischer Stabilität.
  3. Die Dicke der Streben: Je dicker die Streben des Gitternetzes sind, desto stabiler ist es. Dadurch wird es aber auch schwerer/teurer.

Die Implementierung von Gitternetzstrukturen kostet etwas mehr Zeit und bringt auch etwas geringere Kosten-/Gewichtseinsparungen gegenüber dem reinen Aushöhlen. Dafür bleiben die mechanischen Eigenschaften nahezu unberührt.


3. Topologieoptimierung
Beispielgrafik Topologieoptimierung

Beispiel Topologieoptimierung.

Für dünnere Objekte und für welche mit einer komplexen mechanischen Belastung, lohnt es sich, Zeit in ein Re-Design zu investieren. Der Zeitaufwand ist verglichen mit den vorher vorgestellten Strategien recht hoch. Dafür bekommen Sie die höchste Gewichts-/Kostenreduktion bei gleichzeitig unveränderten (manchmal verbesserten) mechanischen Eigenschaften.


Wann lohnt sich Re-Design?

Der folgende Entscheidungsbaum soll Ihnen Orientierung geben, wann sich ein Re-Design von Produkten zur Optimierung für den 3D-Druck lohnt. Dabei sind drei Kriterien entscheidend.

  1. Die Massivität des Objektes: Sehr massive/dichte Objekte bieten sich hervorragend dazu an, ausgehöhlt zur werden. Aber auch die Verstärkung des Hohlraumes mit Gitternetzstrukturen bietet sich bei massiven Objekten stark an. Bei filigranen Objekten oder komplexeren Geometrien sind die eben genannten Strategien weniger gut einzusetzen. Dann könnte die Topologieoptimierung einen Vorteil bringen. Ob sich dieser zeitaufwendige Ansatz lohnt, hängt von der Größe des Objektes und der voraussichtlichen Stückzahl des Objekts ab.
  2. Die Objektgröße: Bei großen Objekten ist die Gewichts-/Kostenreduktion durch Re-Design immer relativ größer als bei eher kleinen Objekten. Bei kleineren Objekten kann es sich trotzdem lohnen die Zeit zu investieren, wenn hohe Stückzahlen produziert werden sollen.
  3. Das Produktionsvolumen: Je hoher die produzierten Stückzahlen, desto eher lohnt sich das Re-Design. Bei kleineren Objekten ist dieser Aspekt wichtiger als bei großen Objekten.

Entscheidungsbaum Re-Design für 3D-Druck

Entscheidungsbaum wann lohnt sich ein Re-Design.


Wahl der besten Re-Designstrategie.

Nachdem Sie sich entschieden haben, dass ein Produkt für den 3D-Druck optimiert werden soll, sind folgende vier Aspekte bei der Wahl der richtigen Strategie zu beachten.

  1. Die mechanischen Eigenschaften: Das Aushöhlen ist für Objekte, die hohem mechanischem Stress ausgesetzt sind, nur in wenigen Fällen zu empfehlen. Daher sind Kenntnisse über die Verwendung und die Belastung des Objekts von Anfang an wichtig.
  2. Die Massivität des Objektes: Je massiver die Bauteile sind, desto eher lohnt sich Aushöhlen sowie das Einfügen von Gitternetzstrukturen. Bei filigranen Objekten lohnt es sich eher eine Topologieoptimierung oder ein manuelles Re-Design durchzuführen.
  3. Die Lastverteilung beim Objekt: Ist die Lastverteilung sehr einfach oder nicht von entscheidender Relevanz, reicht meist das Zeit- und kostengünstige automatische Aushöhlen oder Einfügen von Gitternetzstrukturen. Das aufwendigere manuelle Re-Design und die Topologieoptimierung lohnen meist erst bei komplexen Lastverteilungen oder nicht standardisierten Geometrien.
  4. Das Produktionsvolumen: Je größer die produzierten Stückzahlen, desto eher lohnt sich das Re-Design auch von weniger geeigneten Bauteilen.
Abbildung Entscheidungsbaum für Strategiewahl Re-Design für 3D-Druck

Entscheidungsbaum zur Strategiewahl für das Re-Desgin für den 3D-Druck.


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