3D-Druck: Automatisiertes CAD -Tool erstellt bionische Bauteile

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Rund ein Jahr nach dem Start des EU-Projekts Bionic Aircraft, berichtet die Cenit AG über erste, konkrete Ergebnisse: Hierzu gehören unter anderem eine Software für die automatische Erkennung topologieoptimierter Strukturen, ein zugehöriger Katalog mit parametrisierten bionischen Merkmalen im CAD sowie ein Werkzeug zur direkten Generierung von Dateiformaten für den 3D-Druck.

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Rund ein Jahr nach dem Start des EU-Projekts Bionic Aircraft, berichtet die Cenit AG über erste, konkrete Ergebnisse: Hierzu gehören unter anderem eine Software für die automatische Erkennung topologieoptimierter Strukturen, ein zugehöriger Katalog mit parametrisierten bionischen Merkmalen im CAD sowie ein Werkzeug zur direkten Generierung von Dateiformaten für den 3D-Druck.

Seit September 2016 arbeitet das IT- und Softwarehaus Cenit gemeinsam mit neun internationalen Partnern aus Industrie und Forschung im Rahmen des EU-Projekts Bionic Aircraft an der Entwicklung neuer Methoden und Konzepte für die additive Fertigung von Flugzeugen. Das übergreifende Ziel der Forschungsarbeit: Deutliche Verbesserung der Ressourceneffizienz in der Luftfahrt. Entscheidenden Beitrag soll dabei die Entwicklung und Implementierung von Technologien zur additiven Schichtherstellung (Additive Layer Manufacturing (ALM) / 3D-Druck) und bionischem Design in allen Phasen eines Flugzeuglebenszyklus liefern.

Das übergeordnete Ziel des Aufgabenspektrums der CENIT ist eine signifikante Vereinfachung des Designprozesses für bionische Leichtbaustrukturen. Zu den Kernpfeilern hierfür zählen eine automatisierte Designmethodik sowie ein Werkzeug zur direkten Generierung von spezifischen Dateiformaten für den 3D-Druck. Die Projektteilnehmer verfolgen damit den Anspruch, eine Zeitersparnis von rd. 40% für die Gesamtentwicklung bionischer Teile zu erreichen und das Gewichtsersparnispotenzial von ALM-Strukturen zu erhöhen.

Automatisiertes Baukastenprinzip für bionische Strukturen

Ein ambitioniertes Unterfangen, das nun erste Ergebnisse verzeichnet: Um bionisch optimierte Bauteile zu erstellen, erarbeitet die Cenit auf Basis von Catia einen CAD-Katalog mit parametrisch aufgebauten, bionischen Features. „Damit wird die bislang aufwendige und langwierige, manuelle Interpretation und Nachkonstruktion von topologieoptimierten Bauteilen im CAD durch ein automatisiertes Baukasten-Prinzip unterstützt“, erklärt Jochen Michael, Senior Consultant bei Cenit, die Zielsetzung. „Durch die Parametrik der Features können Konstrukteure die Geometrien zudem einfacher anpassen. Damit erreichen wir einen weiteren Zugewinn an Effizienz und Qualität im Design-Prozess“, führt er weiter fort.

Bis Ende der Laufzeit des Bionic Aircraft Projekts im August 2019 rechnet Cenit damit, einen rund 10-15 bionische Features enthaltenden CAD-Katalog zu entwickeln. „Das erklärte Ziel des Projekts lag vor allem darin aufzuzeigen, wie die methodische und praktische Umsetzung eines solchen Katalogs erfolgen kann. Im Vorderdund stand somit die Grundlagenforschung, auf deren Basis definiert werden sollte, wie das Ergebnis der Topologieoptimierung mit bionischen Features abgedeckt werden kann und welche Algorithmen sich für die Erkennung der Bauteile sowie die Zuweisung von Features optimal eignen“, erläutert Jochen Michael von Cenit. Mit dieser Grundlagenarbeit betreten die Projektteilnehmer neues, wegweisendes Terrain – denn bislang sind bionisch optimierte Features in keinem CAD Programm enthalten.

Das Wissen über die Beschaffenheit, Eignung sowie Funktionalität der bionischen Features, die die Cenit ins CAD überführt, steuern im Projekt Experten der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT bei. Basierend auf Analysen über die Qualitätsmerkmale, den Einsatz und Nutzen der topologiebasierten Bauteile entwickeln sie die entsprechenden bionisch optimierten Features. Diese sollen im praktischen Einsatz das typische Verhalten des Bauteiles verbessern, es zudem möglichst leicht und stabil gestalten. Ein Bespiel – bei dem bereits kleine Anpassungen eine große Wirkung erzielen: Werden bei zugbeanspruchten Komponenten Rundungen nach natürlichem Vorbild angewendet, kann das Risiko von Bauteilversagen bereits deutlich vermindert werden. Auch dieses Feature findet als parametrisches Muster somit Eingang in den CAD-Katalog.

Nach der Programmierung der ersten Bionischen Features im CAD geht Cenit einen weiteren Meilenstein im Projekt an: Die Feature Recognition – ein Software-Tool, das ein topologieoptimiertes Bauteil analysiert und diesem möglichst vollautomatisch ein funktional entsprechendes, bionisches Feature aus dem CAD-Katalog zuordnet. Mit dieser Funktionalität stellt die Feature Recognition somit ein wichtiges Element im Designprozess bionischer ALM-Bauteile dar.

Optimierte Datenausgabe und Ausrichtung von Bauteilen für den 3D-Druck

Neben dem bionischen Design gehören auch Aspekte der Druckvorbereitung (dem sog. Pre-processing) zum Aufgabenpaket von Cenit. Wesentliche Schwerpunkte dabei: Die CAD-basierte Erzeugung von für den 3D-Druck notwendigen Stützstrukturen eines Bauteils sowie die optimale Ausrichtung der Bauteile für den Druck.

Zur Programmierung der Stützstrukturen im CAD griff Cenit auf Ergebnisse des Forschungspartners Fraunhofer IAPT zurück: Das Institut führte dazu systematische Untersuchungen zu Kriterien wie Zugfestigkeit, Pulververbrauch sowie Entfernbarkeit der Stützstrukturen und deren Beeinflussung der Oberfläche durch und entwickelte Ansätze für neuartige Stützstrukturen, wie einer gradierten Gitterstruktur oder einem Gyroid.

Anhand einer Vielzahl an Parametern, die die Ausrichtung eines Bauteils für die additive Fertigung bestimmen, schufen die Cenit-Experten auf Basis von Catia zudem Funktionalitäten für die optimale, automatisierte Bauteilausrichtung, inklusive entsprechender Stützstrukturen. Das weiterführende Ziel der Projektarbeit besteht aktuell darin, nicht nur Geometriedaten, sondern auch Attribute der Geometrie (z.B. Außenkontur, Oberflächengüte etc.) an die Fertigung auszugeben und in diesem Zug auch die Methoden des Drucks zu definieren. In Abstimmung mit der Aconity GmbH erarbeitet Cenit hierzu aktuell eine direkte Catia-Schnittstelle.

Diese und weitere Ergebnisse werden die zehn Partner des Konsortiums zur Halbzeit des Projekts Bionic Aircraft im April 2018 der EU Kommission präsentieren.

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