De softwareketen

Als u gebruik maakt van Additive Manufacturing (AM) of overweegt ermee aan de slag te gaan, dan weet u dat de technologie voordelen biedt bij het produceren van lichtere, hoger presterende en beter geoptimaliseerde onderdelen. U weet dan vast ook dat 3D-printen een proces is dat uit verschillende stappen bestaat, en dat het hebben van een ontwerpbestand en printer niet betekent dat een definitief onderdeel slechts een klik verwijderd is. 3D-printen gaat immers niet alleen over printers: het ontwerp van de te printen onderdelen is zo mogelijk nog belangrijker, en software speelt daarin ook een grote rol. We schetsen een overzicht van verschillende types 3D-print software.

Inleiding

Het inzetten van de juiste combinatie van software en hardware, materialen en processen is van cruciaal belang om succesvolle, kwalitatieve prints te verkrijgen. Software is als het ware de “vierde macht” binnen de end-to-end AM-productiecyclus, en is minstens even belangrijk als de andere drie aspecten. Goed uitgekozen software die past bij uw noden laat toe om betere onderdelen te ontwerpen, productiever te zijn, en de totale kosten van uw operaties te verlagen.

“Waarom zijn er zoveel verschillende softwareoplossingen in Additive Manufacturing en welke heb ik echt nodig?” is een vaak gehoorde vraag. Het aanbod aan gespecialiseerde applicaties voor AM breidt inderdaad steeds verder uit. Het ecosysteem groeit met de komst van betere tools voor ontwerp, optimalisatie, simulatie, configuratie van de productie – of nog vaker: een combinatie van al deze stappen. Gespecialiseerde AM-softwarepakketten die de ontwikkeling van nieuwe producten vergemakkelijken worden namelijk steeds completer.

Om bovenstaande vraag te beantwoorden, leek het ons overzichtelijk om deze oplossingen in verschillende categorieën in te delen op basis van hun doel. Let wel, bepaalde applicaties bevinden zich in verschillende categorieën. Sommige softwareontwikkelaars zijn immers eigenaar van verschillende softwarepaketten die meer dan één aspect van de onderstaande categorieën coveren. Deze bedrijven proberen al deze stappen te convergeren door op een vlotte manier applicaties aan elkaar te linken, of zelfs door aparte applicaties te integreren in één enkel, uitgebreid softwarepakket. Bedrijven zoals Autodesk, Dassault Systèmes en Siemens zijn hier een goed voorbeeld van. Het betekent dus dat niet voor elk van de onderstaande stappen een aparte applicatie nodig is. Deze aanpak biedt soms voordelen: alle functies die u nodig hebt zijn zonder onderbreking bruikbaar, en kunnen vloeiend herhaald worden zodat uw projecten doorgaan zonder dat u naar andere software-omgevingen hoeft over te stappen of uw gegevens naar nieuwe bestandsformaten dient over te zetten.

Alle stappen van het proces chronologisch doorlopen in een reeks van onafhankelijke softwareoplossingen die elk slechts een deel van het proces kunnen uitvoeren, is zeker ook een mogelijkheid. Het brengt in sommige gevallen wel problemen met zich mee. Als je aan het einde van dat proces komt, en je beseft dat je iets moet aanpassen in een vroeg ontwerpstadium, moet je helemaal terug naar af en opnieuw beginnen. Gelukkig beseffen vele softwareontwikkelaars dit ook, en is het tegenwoordig al mogelijk om tussen bepaalde softwareoplossingen van verschillende ontwikkelaars bestanden te delen. Het gebrek aan interoperabiliteit tussen de verschillende soorten softwarebestanden bij het modelleren en simuleren is immers een doorn in het oog van ingenieurs overal ter wereld.

De basis: ontwerpsoftware

Als je echter zelf aan de slag wilt met modelleren om eigen ontwerpen te maken of aan te passen is ontwerpsoftware vaak het uitgangspunt. CAD (Computer Aided Design) software is er in vele verschillende vormen, waarvan sommige beter geschikt zijn dan andere voor Additive Manufacturing. De basis van CAD begint met het tekenen van het ontwerp met specifieke afmetingen en het omzetten in een 3D-model. CAD-software is een zeer nuttig instrument voor engineering design en wordt vaak gebruikt waar exacte afmetingen en tolerantie belangrijk zijn. De meeste ontwerpen voor industriële toepassingen worden gemaakt in softwarepakketten zoals Autodesk Inventor of Fusion 360, Dassault Systèmes SolidWorks of Siemens NX (in België en Nederland verdeeld door cards PLM Solutions).

Indien gewerkt wordt op basis van een 3D-scan: geometriereparatie

Deze stap is louter nodig als u aan reverse engineering doet, wanneer bijvoorbeeld er gewerkt werd op basis van 3D-scans. Vaak is na het scannen enkel een point cloud beschikbaar. Deze puntenwolken komen weliswaar geometrisch en visueel nauwkeurig overeen met het gescande voorwerp, maar dienen nog geconverteerd te worden naar een mesh (bestaande uit randen, punten en polygonen die de geometrie van een object definiëren). Voor verder ontwerpen of voor 3D-printen kan die mesh verder gewijzigd worden. 3D Systems heeft met Geomagic Design X een uitgebreid reverse-engineeringspakket beschikbaar, zodat bewerkbare solide modellen gemaakt kunnen worden die compatibel zijn met uw bestaande CAD-software. Ook Materialise 3-magic biedt die mogelijkheid. Het uiteindelijke resultaat is een ‘waterdicht’ model geoptimaliseerd voor 3D-printen.

Het ontwerp optimaliseren en prestaties verbeteren: simulatie en analyse

1.     Lattice-structuren genereren

Misschien heeft u wel eens gehoord van lattice-structuren. Ze zien er misschien uit als een decoratief ontwerp, maar zijn meer dan dat. Conventionele productieprocessen zoals gieten en machinale bewerking zijn niet goed geschikt voor de bouw van sterke lichtgewicht constructies. 3D-printen maakt het mogelijk om complexe ontwerpen te maken, dus het is volledig mogelijk om complexe tralie- of rasterstructuren te creëren die bijdragen aan verbeterde stijfheid en sterkte, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor nieuwe schokabsorberende materialen en sandwichstructuren.

Dat is net de reden waarom het ontwerp van een onderdeel echt belangrijk is als het gaat om 3D-printen. Deze typische rasterstructuren zijn technische of architectonische structuren die u helpen om uw 3D-geprinte objecten te verbeteren door ze lichter en sterker te maken. Deze structuur maakt gebruik van een kriskras patroon van stroken, als een soort netwerk van dwarsdoorsneden. Een schoolvoorbeeld van structurele optimalisatie kan je vinden op de foto hier onder (copyright Materialise).

Een object gebouwd met lattices kan door een bepaalde invulling, flexibeler of stressbestendiger zijn. U zult in staat zijn om de kracht van een functionele structuur optimaal te benutten. Lattice-structuren overtreffen de structurele prestaties van conventionele vaste materialen voor gebruik in lichtgewicht structuurpanelen of sandwichkernen, toepassingen waar thermische isolatie cruciaal is, en medische toepassingen zoals poreuze implantaten om optimale botintegratie en stijfheid en optimale aanhechting in weefsels te bereiken.

2.     Topologisch optimaliseren

Van alle manieren waarop de ontwerpvrijheid van Additive Manufacturing zinvol kan worden benut, zijn topologieoptimalisatie en generatief ontwerpen misschien wel de meest veelbelovende. Als gevolg van softwareontwikkelingen kunnen ontwerpprocessen voor een groot deel worden geautomatiseerd.

Nieuwe simulatieprocessen zoals generatief ontwerp leveren een belangrijke bijdrage aan additief produceren. Generatief ontwerp volgt de evolutionaire benadering van de natuur, die een breed palet zien aan oplossingen voor bijvoorbeeld draagstructuren. De vormvrijheid van 3D-printen laat toe deze structuren na te bootsen. Door specifieke criteria voor een onderdeel in te voeren, zoals bepaalde montagepunten, past de software de topologie van een ontwerp aan om automatisch aan aan de vereisten te voldoen. Geanvanceerde algortimes genereren de ideale vorm op basis van parameters als ontwerpruimte, materiaaleigenschappen en belastingskrachten. Zo wordt het mogelijk binnen enkele minuten naar een geoptimaliseerde, gewichtsefficiënte vorm te evolueren.

Vaak komt uit de software niet slechts één ultieme ontwerpoplossing per specifieke toepassing naar voor. Op basis van de input van de gebruiker zijn verschillende haalbare opties mogelijk. Het is aan de ontwerper om het design te kiezen dat het beste aansluit bij de productvereisten.

Op een dergelijke wijze het ontwerp naar een bepaald doel te brengen (zoals het maximaliseren van de stijfheid-naar-gewicht) is een kritische succesfactor van 3D-printen, met name voor veeleisende toepassingen zoals de automotivesector en in de lucht- en ruimtevaart. Als dusdanig wordt het mogelijk de voordelen van additieve productie tegenover traditionele productiemethoden te benutten: efficiënter materiaalgebruik en het verminderen van massa, het verhogen van stijfheid etc., zoals het voorbeeld in de figuur hier onder (copyright Altair).

Het Duitse Altair heeft met SolidThinking Inspire een gebruiksvriendelijke oplossing in het aanbod, in de Benelux verdeeld door Design8 bv. Ook MSC Software, in de Benelux verkrijgbaar via verdeler In Summa Innovation, heeft met Nastran SOL 200 een oplossing voorhanden.

Om de prestaties van de te printen onderdelen te simuleren zijn er bovendien vaak mechanische FEA-solvers geïntegreerd in de meeste software voor topologieoptimalisatie en lattice-generatie. Er zijn ook stand-alone oplossingen voor structurele berekeningen voorhanden zoals Siemens Simcenter 3D, MSC Nastran of MSC Marc.

Onderdelen dienen na topologie-optimalisatie opnieuw te worden geanalyseerd om ervoor te zorgen dat de ontwerpveranderingen de prestaties van het onderdeel niet buiten de vereiste specificaties hebben verschoven. Naast topologie-optimalisatie en latticeontwerp speelt analyse een belangrijke rol bij het simuleren van prestaties – ook al om de prestaties tussen traditioneel vervaardigde en 3D-geprinte onderdelen te kunnen vergelijken.

Procesoptimalisatie: simuleren van het complete printproces

Ook het eigenlijke printproces kan vervolgens gesimuleerd worden. Dat laat toe een betere selectie van procesparameters te maken, of te beoordelen hoe veranderingen in parameters het gedrag van onderdelen beïnvloeden.

Vooral in poederbedprocessen kan processimulatie een voordeel betekenen. Simufact Additive van MSC Software is een specifieke tool die wordt ingezet om mogelijke problemen te voorspellen bij de productie van poederbedprinten (SLS, SLM, LBM, DMLS, EBM). De software kan worden gebruikt om de invloed te onderzoeken van materiaalkeuze, de implanting op de bouwplaat, supportstructuren en interne structuren, en nabehandelingen zoals HIP (heet isostatisch persen). Een vergelijkbare tool voor voor kunststoffen en composieten bestaat onder de naam Digimat-AM.

De software voorspelt de vervorming, restspanningen en materiaalverdichting in het onderdeel waarbij automatisch ontwerpoplossingen (componenten of dragers) worden voorgesteld voor om deze te verminderen. Het programma begeleidt op die manier de productie-ingenieur bij het aanpassen van een onderdeel om tot “first time right” printing te komen.

Ook Materialise Magics bevat sinds afgelopen jaar een Magics Simulation module, gebaseerd op bovenstaande Simufact-technologie. Als volledig geïntegreerde module in de bestaande software kunnen gebruikers van Magics de simulatie naadloos in hun workflow kunnen integreren zonder dat ze van softwarepakket hoeven te wisselen.

Dit soort softwareoplossingen, die een nauwere integratie tussen ontwerp en productie mogelijk maken, zijn steeds meer gevraagd en zullen in de toekomst enkel maar belangrijker worden.

De laatste stap: printvoorbereiding

Deze stap is nodig als u van plan bent om zelf te gaan printen (in tegenstelling tot het uitbesteden van de productie). Wanneer u een CAD-bestand hebt, moet u ervoor zorgen dat u het best mogelijke printresultaat behaalt met de printer die u beschikbaar heeft. Dit soort software laat toe bestanden naar STL te converteren, fouten te herstellen, ontwerpen aan te passen en het bouwplatform voor te bereiden. De printvoorbereidingssoftware moet eventueel ook rekening houden met zaken zoals steunstructuren (om overhangende delen te kunnen printen) en plaats en positionering in de printer. Vele printerfabrikanten leveren de bijbehorende software bij hun machines die dit mogelijk maken.

Er bestaan daarnaast stand-alone softwarepakketten die vaak nog uitgebreider zijn qua functies. De (de facto) standaardtool voor metaalprinten door middel van poederbedfusie is Materialise Magics, maar de applicatie is evenzeer inzetbaar in pakweg stereolithografieprocessen. Ook Autodesk heeft met Netfabb een oplossing voorhanden.

Tot slot

Bij conventionele productietechnologieën zijn ontwerpers gedwongen hun concepten aan te passen aan de beperkingen die het productieproces oplegt. Om het volledige potentieel van Additive Manufacturing te ontsluiten, moeten ontwerpers hun benadering aanpassen.

Indien dat niet gebeurt, worden onderdelen al snel inefficiënt of overgedimensioneerd. De ontwerper moet de ommezwaai maken naar geometrische vrijheid, complexiteit en verandering. Een sleutelaspect hierbij is het gebruik van de juiste methodologie. Deze nieuwe manier van denken beïnvloedt immers ook de keuze van software  voor het creëren van 3D-concepten. Omdat complexiteit vaak moeilijk te integreren is, volstaan klassieke ontwerptools niet om een nieuw idee te creëren.  Daarom worden vaak nieuwe softwareoplossingen zoals generatieve ontwerptools gebruikt.

Welke software nodig is hangt vooral af van hoe u Additive Manufacturing wil gaan inzetten, en welke technologieën er aangewend zullen worden. Het kan handig zijn bestaande mogelijkheden in de software waar u al toegang toe hebt te gaan oplijsten en die al over de mogelijkheden beschikt die in de subcategorieën worden beschreven. Het is belangrijk om op te merken dat sommige software alleen voor bepaalde processen zin heeft (of beschikbaar is).

Dit artikel verscheen eerst in Metallerie.