Additive Fertigung 3D-Druck-Software ermöglicht personalisierte Produkte auf Knopfdruck

Anbieter zum Thema

SCHOTT SYSTEME GmbH

Parametric Technology GmbH

COMSOL Multiphysics GmbH

Version 1.5 der 3D-Druck-Software 4D_Additive von CoreTechnologie besitzt ein neues Modul für Gitterstrukturen. Diese Aktualisierung ermöglicht es, komplexe Geometrien schnell und einfach zu generieren. So lassen sich personalisierte Produkte wie maßgeschneiderte Schuhe und Fahrradsättel sowie leichtgewichtige mechanische Bauteile additiv herstellen.

Durch die Gitterstrukturfunk­tionen der 3D-Druck-Software können additiv gefertigte Bauteile mit zusätzlichen Eigenschaften wie progressiver Dämpfung, hocheffizientem Wärmetausch oder auch integrierten Funktionen einer Baugruppe entwickelt werden. Funktionen zur Erzeugung von Gitterstrukturen verschiedener Dichte, die mit additiven Verfahren hergestellt werden, verändern zukünftig die Art und Weise der Produktentwicklung und definieren die Leistungsfähigkeit von Produkten neu. Prinzipiell werden Gitterstrukturen für Leichtbau, Wärmemanagement, Flüssigkeitsmanagement, kundenspezifische Produkte und technische Strukturen mit gezielten Eigenschaften eingesetzt.

Gitterstrukturen für Leichtbau und adaptive Dämpfung

Mit den in der neuesten Version zur Verfügung stehenden 22 verschiedenen Gittertypen können innen- und außenliegende Gitter basierend auf den originalen 3D-CAD-Modellen erzeugt werden. Einzelne Flächenbereiche oder Teile des Bauteilvolumens können schnell und einfach durch leichte und hochfeste Strukturen wie Gyroide oder stochastische Voronoi-Muster ersetzt werden, um das CAD-Modell für den jeweiligen Anwendungszweck zu optimieren. Besonders hervorzuheben sind die Gyroiden-Muster und Trabekular-Strukturen, die natürliche Gitternetze wie in Knochen nachahmen und neue Designs für die Optimierung von Gewicht, Stabilität, Spannungsverteilung und Stoßabsorption von Bauteilen ermöglichen.

Gyroid-Strukturen zeichnen sich durch hohe Festigkeit bei minimalem Materialeinsatz und Gewicht sowie einfache Druckbarkeit aus, wodurch sie sich ideal für 3D-Druckverfahren eignen. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie keine Stützstrukturen benötigen, da die Geometrie in allen Achsen einen Winkel von 30 Grad aufweist. Gyroid-Strukturen sind die beste Wahl für Bauteile, die hohe Festigkeit bei geringem Gewicht erfordern. Für Bauteile, die Druckfestigkeit in Quer- oder beiden Richtungen benötigen, sind kubische Muster geeignet. Bei senkrechter Druckfestigkeit kommen dreieckige Muster zum Einsatz. Eine 2D-Gitterstruktur wie Honeycomb genügt für Bauteile mit einseitiger Belastung, während sich für zug- oder biegefeste Teile 3D-Gitterstrukturen wie Stern- oder Kreuzstrukturen anbieten.

Natürliche Strukturen wie in Schwämmen oder Knochen, als Trabekular- oder Skelettstrukturen bekannt, eignen sich besonders für Hitzeableitung sowie Vibrations- und Geräuschdämmung. Trabekulare Strukturen finden auch im medizinischen Bereich Verwendung, beispielsweise für Implantate, die mit der Knochenstruktur verschmelzen sollen.

3D-Druck-Software: Adaptive Gitterstrukturen

In der neuesten Softwareversion von 4D_Additive können 3D-Druckbauteile mit Hilfe von 2D-Belastungsbildern in Form von Farbkarten an individuelle Bedürfnisse der Anwender angepasst werden. Beispiele hierfür sind individuell angepasste Einlegesohlen und Fahrradsättel oder auch der gesamte Bereich der Prothetik. Die Variation der Zellgrößen und Gitterstärken entlang des Bauteils ermöglicht eine präzise Anpassung der Geometrie an geforderte Eigenschaften, während gleichzeitig die Bauteileigenschaften optimiert werden. Hierbei erfordert die einfache Anwendung der Software kein Spezialistentum und ist schnell und einfach erlernbar.

Fertigungsvorteile durch Hohlräume und Gitterstrukturen

Ein interessanter Anwendungsfall von ausgehöhlten und mit Gitterstruktur versehenen Hohlräumen ist die produktionstechnische Optimierung von Bauteilen: Durch den Einsatz von Gitterstrukturen lässt sich beim 3D-Druck der Wärmeverzug effektiv minimieren. Mithilfe der 4D_Additive-Software können Bauteile auf Bereiche mit hoher Masse analysiert, mithilfe einer Hohlraumfunktion gezielt ausgehöhlt und anschließend mit Gyroid-, Honeycomb-, Sternform- oder Gitterstrukturen gefüllt werden.

Die einfache Erzeugung von Perforationsmustern wird durch neue boolesche Funktionen ermöglicht. Tausende von Löchern beliebiger Größe werden automatisch so erzeugt, dass sie senkrecht zur Fläche des CAD-Modells stehen. Ein interessanter Anwendungsfall für diese Technologie sind zum Beispiel additiv gefertigte Tiefziehformen oder Katalysatoren.

3D-Druck-Software: Texturen für farbige 3D-Oberflächendesigns

Texturen erlauben im 3D-Druck völlig neue Möglichkeiten für das Oberflächendesign von Bauteilen. So können in der neuesten Version nun auch Farben im 3D-Modell jedem einzelnen „Voxel“ des Bauteils zugewiesen werden. Durch das sogenannte Mapping der Farben und der genauen Definition an jedem einzelnen Punkt auf dem Bauteil in OBJ-Format können Teile mit farbigen Oberflächenstrukturen wie Holz, Leder Metall oder Stein direkt ausgedruckt werden. Je nach Druckverfahren entstehen hierbei Bauteile in nie da gewesener Qualität und Ästhetik. Durch die direkte Anbindung der Substance-Texturen können jetzt auch die über 1700 frei verfügbaren Texturen der Adobe Substance Community Assets verwendet werden. Hierbei handelt es sich um voll parametrische Texturen, die in der 3D-Druck-Software auf Bauteile projiziert und frei bearbeitet werden können. Die neue Rendering Funktion der Version 1.5 erlaubt jetzt auch eine realitätsnahe Darstellung der texturierten Modelle mit „Bump Colour Mapping“.

Neue Slicing-Funktion in der 3D-Druck-Software

Beim exakten Slicing wird nicht wie bisher üblich die tesselierte Annäherung eines STL-Modells in Z-Ebenen geschnitten, sondern die exakten Flächendaten des CAD-Modells. Somit können Vektorgrafiken an die Drucker gesendet werden, wobei die Konturlinien durch exakte Splinekurven definiert werden.

Der 4D_Additive Slicer erzeugt aus CAD-Modellen Vektordateien, die unabhängig von der Größe des Bauteils eine optimale Auflösung auch kleinster Details erlauben. Vektordateien bieten so eine bessere Genauigkeit und höhere Druckqualität im Vergleich zu Pixeldateien. Das SVG-Format (Scalable Vector Graphics) ist das derzeit gängigste Vektorformat, in dem die Schichten aus der 3D-Druck-Software abgespeichert werden. Durch die Verwendung exakter CAD-Modelle für das Slicing und die Erzeugung von SVG-Dateien können Slices mit hoher Präzision und ohne Qualitätsverluste an die Drucker gesendet werden.

4D_Additive 1.5 SP1 ermöglicht das exakte Slicing von 3D-CAD-Geometrie und die Versendung der exakten Konturkurven an den Controller eines SLS-Drucker. Die Definition von Spline-Kurven und Kreisen anstatt angenäherter Liniensegmente ermöglicht optimale Fertigungstoleranzen, erhöht die Ausführungsgeschwindigkeit um 30 Prozent und eliminiert Ruckbewegungen sowie Verzögerungen der Spiegelbewegung.

CAD-Modelle versus STL

Auch für den 3D-Druck bieten CAD-Dateien gegenüber den mosaik­artigen STL-Dateien deutliche Vorteile, da sie kleinere Datengrößen und eine sehr viel höhere Präzision ermöglichen. CAD-Dateien punkten beim 3D-Druck auch in Bezug auf Genauigkeit, Effizienz, Nachverfolgbarkeit und Kostenreduzierung. Mit der Einführung der neuen Exportfunktion für exakte Slicing-Daten bahnt der Hersteller den Weg zur Etablierung des 3D-Drucks für die Serienfertigung.

Der Autor Armin Brüning ist Geschäftsführer von CoreTechnologie.