Image: Wird der Konstrukteur zum Knecht des Rechners?FERCHAUFERCHAUGeneratives Design: neue Ideen für Konstrukteure | Alexander Traksel
TechnikAdditive Fertigung und die Folgen

Wird der Konstruk­teur zum Knecht des Rech­ners?

Lesezeit ca.: 4 Minuten
Michael Wendenburg

Michael Wendenburg

Freier Journalist

Additive Fertigung gibt es im Prototypenbau schon lange. Jetzt schicken sich 3D-Druck und andere additive Verfahren an, die Serienfer­ti­gung zu erobern – mit dramatischen Folgen für die Konstruk­tion. Um das Potential der neuen Technologie auszuschöpfen, müssen die Konstruk­teure „generatives Design“ beherrschen.

06. März 2018

Die Technologie der additiven Fertigung hat sich in den vergangenen Jahren rasant entwickelt - nicht nur was die Materialien anbelangt, sondern auch hinsicht­lich der Verfahren. Es gibt fast nichts mehr, das sich nicht in 3D drucken, sintern oder aufschweißen ließe: Kunststoffe und Metalle jeder Art, Keramik, Glas oder Sand (z.B. für Gusskerne) und sogar Silikon. Vor allem im Metallbe­reich könnte das Herstellungs­ver­fahren zu einer wichtigen Ergänzung für die Serienfer­ti­gung werden.

Alle additiven Verfahren beruhen im Prinzip darauf, dass Material in dünnen Schichten aufgetragen wird. Ein relativ langsamer Prozess, der aber viele Vorteile bietet. Man kann damit hoch individua­li­sierte Kunststoff­teile ohne teure Spritzguss­formen drucken. Bionische Formen oder Bauteile lassen sich mit komplexen Hohlräumen aufschichten, die mit subtraktiven Verfahren nicht herstellbar wären. Und es lassen sich Teile mit hohem Zerspanungs­an­teil mit deutlich weniger Material­ein­satz produzieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass Teile nach Bedarf (on demand) hergestellt werden können, was interessante Einsparpo­ten­tiale in der Ersatzteil­lo­gistik verspricht.

Additive Fertigung bedingt generatives Design

Die bestehende Bauteil-Geometrie additiv zu fertigen mag bei Ersatzteilen zweckmäßig sein. Ihr wahres Potential entfaltet die Technologie aber erst durch die Möglichkeit, völlig neue Bauteilformen zu gestalten oder mehrere Bauteile funktional zu integrieren. Das bedingt jedoch eine andere Herangehens­weise in der Konstruk­tion. „Der bisherige, computer­un­ter­stütze wird zum computer­ge­trie­benen Konstruk­ti­ons­pro­zess“, sagt Peter Scheller, Marketing Director NX bei Siemens PLM Software, Deutschland.

Was Scheller da beschreibt, heißt generatives Design (GD). Statt ein Bauteil zu modellieren, definiert der Konstruk­teur im Extremfall nur noch seinen Bauraum, bestimmte Sperrflä­chen, Anschluss­punkte, auftretenden Kräfte, das Material und fertigungs­re­le­vante Parameter, damit das Bauteil mit möglichst wenigen Stützstruk­turen aufgeschichtet werden kann. Im Anschluss lässt er den Computer die optimale Topologie berechnen. Je nachdem wie intelligent der Algorithmus ist, kann er auch Kosten, Produkti­ons­zeiten oder alternative Materialien ermitteln. „Das Ergebnis sind unterschied­liche Vorschläge aus einem großen Lösungsraum“, sagt Karl Osti, Branchen­ma­nager Maschinenbau bei Autodesk. „Es geht bei generativem Design nicht nur darum, die optimale Geometrie bezogen auf die Kräfte zu berechnen, sondern vielleicht einen Kompromiss zu finden, der auch die Produkti­ons­zeit minimiert.“

Der Konstruk­teur braucht neue Skills

Wird der Konstruk­teur so zum Erfüllungs­ge­hilfen des Computers degradiert? „Auf keinen Fall, er muss viel mehr über sein Produkt wissen als früher“, sagt Michael Werner, Spezialist für das Simulations-Portfolio bei Dassault Systèmes. „Es ist ja nicht so, dass bei der Topologie-Optimierung ein fertiges Design herauskommt. Der Computer unterbreitet immer nur Vorschläge, die der Konstruk­teur bewerten muss.“ GD sei einfach nur ein neues Werkzeug, meint auch Scheller. „Die kreative Entschei­dung fällt nach wie vor der Konstruk­teur. Natürlich braucht er dazu neue Skills und mehr Fertigungs-Know-how. Wer additive Fertigung ausreizen will, muss schon in der Konstruk­tion additiv denken.“

Mehr als die Konstruk­teure trifft der Wandel nach Einschät­zung von Osti die Spezialisten, die sich seit 20 Jahren mit der Technologie beschäftigen und dafür eine Vielzahl von Experten­tools beherrschen mussten. Ihre Funktiona­lität wandert zunehmend in die traditio­nellen CAD-Systeme und wird soweit vereinfacht, dass sie von einem breiteren Anwender­kreis genutzt werden kann. Alle namhaften CAD-Hersteller bieten integrierte Berechnungs­mo­dule, um Bauteile für die additive Fertigung auszulegen, wobei PTC Creo derzeit nur die Optimierung des „Innenlebens“ bestehender Bauteile mit Hilfe parametri­scher Gitterstruk­turen ermöglicht.

Die CAD-Systeme von Autodesk, Dassault Systèmes und Siemens PLM hingegen unterstützen auch die Erzeugung einer topologisch optimierten Bauteilgeo­me­trie ausgehend von der Definition bestimmter Rahmenpa­ra­meter. Signifikante Unterschiede ergeben sich zum Beispiel hinsicht­lich der Behandlung der topologisch optimierten Geometrie, bei der er sich ja um ein FEM-Netz bzw. eine triangulierte Oberfläche handelt, mit den klassischen CAD-Funktionen. Das ist wichtig, um aus der optimierten Topologie ein fertiges Bauteil zu machen.

Neue Chancen für alte Ideen

Die neuen Werkzeuge und Funktionen für generatives Design schränken die Kreativität des Konstruk­teurs nicht ein, sondern bringen ihn auf neue Ideen, die er früher aus Zeitgründen gar nicht verfolgen konnte, wie Osti betont. Und sie ermöglichen ihm die Umsetzung von alten Ideen, die früher nicht umsetzbar waren. Steck nennt als Beispiel die Einspritz­düsen der neuen GE-Jettrieb­werke für den Airbus A320 Neo. Die Ingenieure wussten immer schon, wie sie innen aussehen mussten, um eine optimale Zerstäubung des Brennstoffs zu erreichen. Die komplexe Form erforderte mehr als 20 Einzelteile, die miteinander verschweißt werden mussten, was aufwändig, teuer und ungenau war.

Die eigentliche Herausfor­de­rung ist nach Auffassung aller Experten nicht die Befähigung der Konstruk­teure für das generative Design, sondern die Integration der additiven Verfahren in die Serienfer­ti­gung. Wie lässt sich beim 3D-Druck von Hunderten von Teilen sicherstellen, dass alle die gleiche Qualität haben, vor allem wenn die Drucker an Standorten mit unterschied­li­cher Luftfeuch­tig­keit stehen? Was heißt es für die Qualitäts­si­che­rung, wenn im Warenein­gang keine Gussteile mehr kontrolliert werden müssen, sondern Chargen von Metallpulver? Hier gebe es noch ein paar offene Baustellen, räumen Osti und Scheller ein. Doch an denen werde fleißig gearbeitet.