Leichtbaustrukturen iterativ optimieren

Gitterstrukturen, zum Beispiel Gyroide, lassen sich aufgrund ihrer Komplexität nur mit 3D-Druckverfahren kostengünstig realisieren. 4D_Additive erzeugt hierbei verschiedenste Strukturen, die in der Technik, in der Medizin und für das Industriedesign großes Potenzial bieten. Durch additive Verfahren gefertigte Integralbauteile erhalten durch Gitterstrukturen bessere Eigenschaften, zum Beispiel geringeres Gewicht bei gleicher Festigkeit und übernehmen Funktionen, die sich sonst nur durch Baugruppen erreichen lassen. In der aktuellen Version der Software 4D_Additive von CoreTechnologie unterstützt das Additive Manufacturing Tool einen neuen Ansatz zur Erzeugung, Optimierung und Validierung von Leichtbaustrukturen. Mit dem Advanced Lattice-Modul werden schnell und einfach Gitterstrukturen erzeugt und zur Optimierung mit einer neuen Nastran-Schnittstelle direkt an die Berechnungs-Software übergeben.

Optimierte Bauteileigenschaften

Die Technologie wird zukünftig bei der Konzeption neuer Produkte Anwendung finden. Hierbei können Volumenkörper mit internen Strukturen aufgefüllt sowie Modelle, teilweise durch externe Strukturen, ersetzt werden.
Einige Beispiele für die Vorteile und neuen Möglichkeiten von Gitterstrukturen in der additiven Fertigung sind:

• mechanische Energieabsorption von Stößen und Biegung
• Absorption von mechanischen Schwingungen
• Leichtbau von Metallstrukturen
• Wärmedämmung, Wärmeableitung und Wärmeaustausch
• Speicherung von Wärmeenergie
• schwammartige Strukturen zur Speicherung von Gasen
• Katalyse und Destillation
• Implantate zur Verbindung mit der schwammartigen Struktur der Knochen
• neue Gestaltungsmöglichkeiten für Industriedesigner

Die 4D_Additive-Software bietet Tools zur automatischen Erzeugung von 20 verschiedenen 3D-Gitterstrukturtypen. Vor allem mit Gyroide-Mustern und Trabecular-Strukturen zur Nachbildung natürlicher Gitternetze, wie sie in der Natur in Knochen vorkommen, lassen sich neuartige Designs zur Optimierung des Gewichts, der Stabilität, Spannungsverteilung und Stoßabsorption von Bauteilen generieren.

Gyroid-Struktur ideal für 3D-Druck

Generell ist die Gyroid-Struktur aufgrund ihrer hohen Festigkeit bei minimalem Materialeinsatz und Gewicht sowie der einfachen Druckbarkeit ideal für 3D-Druck-Verfahren geeignet. Ein Gyroid benötigt keine Stützstrukturen, da die Winkel der Geometrie in allen Achsen stets 30 Grad betragen. Wenn Bauteile hohe Festigkeit bei geringem Gewicht erfordern, sind Gyroid-Strukturen die erste Wahl.

Wenn Bauteile hingegen eine Druckfestigkeit aus Quer- oder beiden Richtungen erfordern, verwendet man kubische Muster. Falls nur eine senkrechte Druckfestigkeit erforderlich ist, verwendet man dreieckige Muster beziehungsweise, wenn die Belastung nur in einer Richtung erfolgt, ist eine 2D-Gitterstruktur wie Honeycomb ausreichend. Für zugfeste oder biegefeste Teile verwendet man eher 3D Lattice wie Stern- oder Kreuzstrukturen.

Natürliche Strukturen, wie sie in Schwämmen oder Knochen vorkommen, nennt man Trabecular- oder auch Skeletal-Strukturen. Diese sind besonders geeignet für Hitzeableitung sowie Vibrations- und Geräuschdämmung. Trabeculare Strukturen können zudem im medizinischen Sektor, zum Beispiel für Implantate, die mit der Knochenstruktur verwachsen sollen, verwendet werden.

Wärmeverzug minimieren

Im Sinne der bestmöglichen Wärmeverteilung beim 3D-Druck können mit 4D_Additive Bauteile auf massive Zonen hin analysiert, mit einer Hollow-Funktion ausgehöhlt und mit Gyroid-, Honeycomb-, Sternförmigen- oder Gitter-Strukturen aufgefüllt werden. Die Bedienung ist hierbei einfach und die Berechnung der Gitterstrukturen, welche die ausgehöhlten Bereiche ersetzen, erfolgt innerhalb weniger Sekunden.

Nahtlose Validierung

Mit der standardisierten Nastran-Schnittstelle lassen sich die optimierten 3D-Geometrien an Berechnungstools übergeben. Das Standardformat ermöglicht es, die Gitterstrukturen für alternative Bauteildesigns zur Prüfung schnell und problemlos an alle gängigen Berechnungs-Tools zu senden. Die Anpassung der Designs kann somit ohne nennenswerten Konvertierungsaufwand iterativ in mehreren Schritten erfolgen.

Die Verwendung verschiedener Gittertypen, die Variation der Zellstärke sowie eine über den Bauteilverlauf variable Zellgröße, erlaubt die Anpassung der Geometrie an geforderte Eigenschaften, bei gleichzeitig optimierten Bauteileigenschaften. Im Gegensatz zur Topologie-Optimierung lassen sich mit diesem Ansatz klassische Bauteildesigns iterativ optimieren und mit Simulationstools validieren.

Die neuen Möglichkeiten der additiven Fertigung in Bezug auf Gitterstrukturen bieten viele Vorteile, die von den Konstrukteuren und Designern in Zukunft sicher für neuartige Produktdesigns eingesetzt werden.

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Hintergrundinformation CoreTechnologie

Der Softwarehersteller CoreTechnologie mit Standorten in Deutschland, Frankreich, USA, Japan und Großbritannien wird seit seiner Gründung im Jahr 1998 von den Geschäftsführern Dominique Arnault und Armin Brüning geleitet. Mit innovativen Produkten hat das visionäre Unternehmen sein Produktportfolio konsequent optimiert und sich die Technologieführerschaft im Bereich der Konvertierungssoftware gesichert. Jedes Jahr investiert CoreTechnologie mehr als 30 Prozent des Umsatzes in die Erforschung und Umsetzung neuer Technologien und verfügt heute über die vollständige Produktpalette auf diesem Gebiet.

Im Fokus der Technologie-Entwicklung stehen die Produktlinien 4D_Additive zur Optimierung der additven Fertigung sowie 3D_Evolution, das einen effizienten und verlustfreien Austausch komplexer Datenstrukturen zwischen unabhängigen und heterogenen CAX-Softwarelösungen gewährleistet. Mit enorm leistungsstarken Nativschnittstellen für alle führenden CAD-Systeme und zur Umwandlung in alle gebräuchlichen 3D-Formate, sichert das Software-Modul die optimale Interoperabilität der unterschiedlichsten IT-Lösungen.

Neben der Bereitstellung der Visualisierungs- und Fertigungsdaten über unterschiedliche Systeme hinweg, bietet CoreTechnologie herausragende Technologien für die automatische Datenkorrektur, Feature-basierte Konvertierung, Geometrieoptimierung, Qualitätskontrolle, Langzeitarchivierung sowie zur Visualisierung komplexer 3D-Modelle. Die SDK-Software-Komponenten für Softwarehersteller der unterschiedlichsten CAX-Anwendungen sind das zweite Standbein des Unternehmens.

Das Kundenportfolio von CoreTechnologie umfasst mehr als 600 Unternehmen aus der Automobil-, Aerospace-, Maschinenbau- und Konsumgüterindustrie, die vielfach Qualitätsführer in ihrem jeweiligen Segment sind.

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