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Als Francesco Trevisan, leitender Spezialist für additive Fertigung bei Wärtsilä Marine, sich daran machte, den perfekten Zylinderkopf für Schiffsmotoren zu entwerfen, entschied er sich dafür, ihn mithilfe der Metall-3D-Drucktechnologie zu entwerfen, um ihn leichter und leistungsstärker zu machen. Die Technik ermöglicht es ihm, komplexe Gitterstrukturen und materialsparende organische Formen zu schaffen und mehrteilige Komponenten zu einer Einheit zu integrieren.
Nach viel Designarbeit und virtuellen Simulationen ist es nahezu perfekt. Es ist 60 % leichter als die konventionell gefertigte Originalkonstruktion. Es integriert bis zu zehn Subsysteme in die Endmontage, wodurch die Montagekomplexität reduziert und die Kühlleistung verbessert wird. Es handelt sich um ein innovatives Design, das Wärtsiläs Ziel einer CO2-neutralen Schifffahrt und Energieerzeugung vorantreibt, aber das ist einfach nicht möglich.
Das Hindernis ist weder die Integrität des Designs noch die Leistung großformatiger 3D-Laser-Pulverbett-Fusion-Drucker. Es ist auch nicht das Metallpulver, das Problem ist die Dateigröße der digitalen Teile.
Doch nun bietet eine neue Zusammenarbeit zwischen den Softwareunternehmen nTop und Materialise Magics eine Lösung, die die Dateigröße von Teilen um rund 90 % reduzieren kann. Diese Entwicklung wird Wärtsilä nicht nur in die Lage versetzen, seine großformatigen Zylinderköpfe herzustellen, sondern könnte auch die Einführung des Metall-3D-Drucks in fast allen Branchen beschleunigen.
Designengpässe in der komplexen additiven Metallfertigung
Bisher führten Trevisans Entwürfe für komplexe Motorkomponenten oder Wärmetauscher zu CAD-Dateien (Computer Aided Design), die zwischen 7 und 10 GB groß waren. CAD-Modelle mit einer großen Anzahl an Features, wie z. B. extrem feinen Netzen, überfordern die Möglichkeiten heutiger Software, da Dateigrößen und Wiederherstellungszeiten mit zunehmender Teilegröße exponentiell ansteigen.
Allerdings wurde dieser Zylinderkopf eines Schiffsmotors, der etwa 500 x 500 x 450 mm misst, für den 3D-Druck in der „Computational Design“-Software von nTop optimiert, was es Trevisan ermöglichte, sehr komplizierte Details wie Gitter und interne Kanäle hinzuzufügen und Teile miteinander zu verschmelzen eine ohne Multi-Gigabyte-Dateien. nTop ähnelt CAD-Software, ist jedoch in der Art und Weise, wie es die Teilegeometrie darstellt, ausgefeilter und die Dateigröße ist viel kleiner.
Beispielsweise wird in den meisten CAD-Programmen, einschließlich Fusion und Creo, die Geometrie eines Teils mithilfe von „Grenzdarstellungen“ (B-Reps) dargestellt. Wir werden uns hier nicht mit allen Komplexitäten der B-Rep-Architektur befassen, sondern betrachten sie als die Art und Weise, wie Menschen geometrische Formen, Kanten, Maße und ihre Beziehungen zueinander wahrnehmen. Wenn Teile sehr komplex werden, können diese viele Rechenressourcen und Dateispeicher beanspruchen.
Da die Nachfrage nach komplexen Geometrien, Topologieoptimierung und generativem Design weiter zunahm, insbesondere mit dem Aufkommen der additiven Fertigung in den frühen 2000er Jahren, begann die Größe von CAD-Dateien zu einem Problem zu werden. Etwa zu dieser Zeit, als die Rechenleistung zunahm und verfügbar wurde, begann sich eine neue Methode zur Darstellung von Geometrie in CAD-Software, die sogenannte implizite Modellierung, durchzusetzen.
Die Kraft der impliziten Modellierung
Die von der nTop-Software verwendete implizite Modellierung ist eine alternative Möglichkeit zur Darstellung der Teilegeometrie. Es berechnet keine expliziten Kanten oder Scheitelpunkte, sondern verwendet eine einzelne mathematische Funktion von x, y und z, um ein 3D-Objekt zu beschreiben. Mit anderen Worten: Eine geometrische Form wird durch Mathematik dargestellt, die definiert, ob sich ein Punkt innerhalb, außerhalb oder auf der Oberfläche der Form befindet. Bradley Rothenberger, CEO von nTop, sagte, es sei eher wie die Sicht eines Computers auf die Geometrie.
Die implizite Modellierung zeichnet sich durch das Verschmelzen oder Zusammenführen komplexer Geometrien aus, ohne dass Übergänge oder Grenzen manuell definiert werden müssen. Dies macht sie besonders nützlich für organische Formen und Designs, die komplexe Oberflächen erfordern.
Die resultierende Dateigröße kann weniger als ein Zehntel der Größe einer normalen CAD-Datei betragen, aber die Genauigkeit ist genauso hoch.
In nTop verfügt Trevisan jetzt über eine Zylinderkopfdatei, die jedoch nicht direkt aus den .implicit-Dateien von nTop in 3D gedruckt werden kann; diese müssen zur Eingabe in die 3D-Druckdateivorbereitungssoftware Materialise Magics zurück in das bekanntere netzbasierte B-Rep-Modell konvertiert werden . Hier steht das Projekt vor einer erheblichen Hürde.
Die gitterlose Zukunft von CAD
Die resultierende Rasterdatei ist zu groß und unhandlich zum Drucken.
„Der Engpass in Wärtsilä greift ineinander“, sagt Rothenberg. „Sie konnten das Teil nicht effizient vernetzen, weil es Stunden dauern würde, es in nTop zu vernetzen, und wenn es einmal vernetzt wäre, würde es Stunden oder sogar über Nacht dauern, es in Magic zu öffnen, und dann dauert es Wochen, bis die Teile auf die richtige Größe zugeschnitten sind.“ eines Zylinderkopfes.“
Trevisan sagte, es bestehe eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass das System in jeder Phase der Übertragung oder Verarbeitung von Dateien abstürzt, was einen Neuanfang und wochenlange Verzögerungen bedeuten würde. In der Vergangenheit umfassten seine Lösungen die Aufteilung des Netzes oder die Aufteilung des Designs in Teile. „Es gibt immer einen Kompromiss“, sagte er. „Wir waren in der Detailgenauigkeit des Netzes begrenzt, sodass die Qualität der Details im endgültigen Druck oft darunter litt.“
Er brauchte eine Möglichkeit, .implicit-Dateien von nTop direkt in Magics zu importieren, eine Funktion, die nTop erst im August angekündigt hatte.
„Einer der aufregendsten Aspekte der Integration mit Magics besteht darin, Kunden den 3D-Druck direkt aus .implicit-Dateien zu ermöglichen“, sagte Rothenberg. „Als implizite Datei dauert der Export eines Zylinderkopfs aus nTop nur Sekunden, das Öffnen in Magic dauert nur wenige Minuten und das Slicen dauert nur Stunden.“
Die implizite nTop-Modellierungs-API in der 3D-Drucksuite von Materialise Magics (die mit der nächsten Version von Materialise Magics im Jahr 2025 verfügbar sein wird) eliminiert die implizite Konvertierung in ein Netz, was bei großen Metallteilen ein großes Hindernis darstellt.
Magics ist bisher nicht die einzige Integration von nTop. Es hat die Einführung eines Plug-ins für EOS 3D-Drucker angekündigt, das mit dem Build-Prozess der Maschine für die 2023er-Version EOSPrint 2.14 kompatibel ist. Dadurch wird im Wesentlichen die gleiche Funktionalität wie mit der Magics-Integration erreicht, jedoch nur auf Maschinen der Marke EOS.
„Nach Magics befinden sich weitere Plugins und Build-Prozessor-Integrationen in der Entwicklung“, sagte Daeho Hong, Senior Product Manager bei nTop, der für den Aufbau des impliziten Ökosystems mit Partnern verantwortlich ist.
nTop ist nicht der einzige Softwarehersteller, der implizite Modellierung anbietet – es gibt einige, die diese Funktion in Siemens NX und Altair Inspire anbieten – aber es ist bisher am weitesten fortgeschritten, was die Frage aufwirft: Ist CAD-Modellierung die Zukunft von CAD?
Ist implizite Modellierung die Zukunft?
Mit impliziten Dateien „haben wir nicht nur die STL und das Raster abgeschafft, sondern auch eine viel reibungslosere Arbeitsweise erreicht“, sagte Trevisan. „Im Vergleich zu STL und Grids ist die implizite Modellierung meiner Meinung nach die Zukunft.“
Der Fusion CAD-Softwarehersteller Autodesk hat kürzlich die Integration mit nTop (nTop for Fusion App) gestartet, die es Designern ermöglicht, .implicit-Dateien direkt in Mehrkomponentenprodukte zu importieren. Das Bild oben zeigt, wie die in nTop optimierten Motorradteile zur Anpassung und Simulation in dieses Fusion-Design importiert werden.
Fusion verfügt außerdem über einige implizite Modellierungsfunktionen für die Vernetzung und soll größere Pläne für die implizite Modellierung in CAD haben. Fusion verfügt über eine eigene Software zur Vorbereitung des Metallteilbaus und über Integrationen mit 3D-Druckerherstellern wie Renishaw, um .implicit-Dateien direkt in 3D zu drucken, was der neuen Magics-Integration gleichwertig ist.
Der Softwarehersteller Hexagon kann jetzt auch die .implicit-Dateien von nTop lesen und komplexe Simulationen darauf ausführen, während andere Hersteller von Simulationssoftware, darunter Intact für FEA-Simulationen und CloudFluid für CFD-Strömungssimulationen, diese jetzt auch lesen können.
„Das Interessante an diesen Partnern ist, dass sie direkt aus impliziten, also sehr schnellen Simulationen simulieren“, sagte Rothenberg. „Dies ist in den frühen Entwurfsphasen sehr nützlich, wenn Ingenieure schnell viele verschiedene Varianten bewerten und deren relative Leistung verstehen möchten, ohne hochpräzise Simulationen durchführen zu müssen, die eine Vernetzung und lange Durchläufe erfordern. Auf diese Weise können Ingenieure DOE sehr schnell durchführen.“ und die Designrichtung schneller eingrenzen.“
Aber vielleicht wird die neue Integration mit Magics, der Dateivorbereitungssoftware, die von den meisten Besitzern von Metall-Laser-Pulverbettschmelz-3D-Druckern verwendet wird, die App noch weiter vorantreiben.
„Wir glauben, dass die Zukunft des 3D-Drucks in der nahtlosen Verarbeitung großer und hochkomplexer Dateien liegt, und unsere Partnerschaft mit nTop ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung“, sagte Udo Eberlein, Vizepräsident von Materialise Software. „Durch die Integration des impliziten Modellierungskerns von nTop mit unserer Magics-Software und dem NxG Build Processor verbessern wir die Effizienz und Zuverlässigkeit unseres Design-to-Manufacturing-Prozesses erheblich. Diese Zusammenarbeit beseitigt nicht nur bestehende Einschränkungen, sondern beschleunigt auch die Entwicklung innovativer 3D-Druckanwendungen.“ ermöglicht es Ingenieuren, ihre Hochleistungsdesigns mit beispielloser Leichtigkeit und Geschwindigkeit zum Leben zu erwecken.“
Zylinderkopf realisieren
Wie Sie vielleicht schon vermutet haben, handelt es sich bei Wärtsiläs optimiertem Motorzylinderkopf um ein Demonstrationsprojekt, das jedoch einen soliden strategischen Wert hat, sagt Trevisan. Als eine der kritischsten Komponenten in einem Motor (wir sprechen hier von einem großen 18-Zylinder-Frachtschiffmotor) kann der vollständige Validierungsprozess zwischen fünf und zehn Jahren dauern. Daher besteht das kurzfristige Ziel des Projekts darin, eine der schwierigsten Fallstudien durchzuführen, um seine Anwendung zu demonstrieren. „Wir können dann dasselbe Konzept auf viele verschiedene technische Bereiche des Motors anwenden“, bemerkte Trevisan.
Obwohl Wärtsilä drei 30 % größere Prototypen gedruckt hat, muss das Unternehmen noch einen Zylinderkopf in Originalgröße drucken. Hong sagte, dass die erwartete Druckzeit bei Verwendung des Nikon SLM NXG 600 Laser-Pulverbett-Fusion-3D-Druckers etwa 10 Tage beträgt. Der Druck soll noch vor Jahresende erfolgen, gefolgt von einer Teileinspektion und -validierung sowie einem Leistungsnachweis der Teile.
Die Inspektionsphase zeigt, ob das Teil seine Ziele einer besseren Kühlung oder einer besseren Leistung erreicht hat. „Es wird sich auch zeigen, ob es versteckte Probleme gibt, die wir nicht vorhergesehen haben“, sagte Trevisan, „oder ob es andere Vorteile gibt.“
Obwohl nicht jedes Teil, das Wärtsilä 3D druckt, eine fortschrittliche Designsoftware wie nTop erfordert, sagte Trevisan, er plane, sie jetzt häufiger zu verwenden, da sie in Magics integriert ist.
