Die Mathematik hinter der additiven Fertigung

In einer spannenden Folge des Additive Snack Podcasts spricht Gastgeber Fabian Alefeld mit Harshil Goel, Gründer und CEO von Dyndrite, über die zentrale Rolle der Mathematik bei der Weiterentwicklung der additiven Fertigung (AM).

Goel, der einen starken Hintergrund in Mathematik und Maschinenbau hat, erzählt von seiner unerwarteten Reise in die AM-Welt und davon, wie Dyndrite die reine Mathematik nutzt, um komplexe Herausforderungen der Industrie zu lösen. In dieser Folge erfahren Sie mehr über die Mission von Dyndrite, seinen Einfluss auf die Förderung von Ingenieuren und seine Bemühungen, die Grenzen von AM zu erweitern.

Vom Außenseiter zum Gründer: Harshils Reise in die AM-Welt

Goel bringt eine einzigartige Mischung aus akademischer Strenge und Unternehmergeist in die AM-Branche ein. Sein wissenschaftlicher Hintergrund ist in der Mathematik verwurzelt, insbesondere in der Differentialgeometrie und Topologie, die er als "Kalkulation auf Oberflächen" beschreibt. Im Maschinenbau liegt sein Fachwissen in der Strömungsmechanik, der rechnergestützten Strömungsmechanik und der Kontinuumsmechanik - im Wesentlichen in der "Lösung sehr schwieriger mathematischer Probleme für technische Zwecke".

Goels Weg in die AM-Branche war unkonventionell. Er selbst gab zu, dass er bis 2015-2016 nicht wirklich wusste, was AM ist, als Boeing mit einer Herausforderung bezüglich der Unzulänglichkeiten der bestehenden AM-Software an ihn herantrat. Seine Fähigkeit, schnell Lösungen zu konzipieren und zu liefern, führte zur Gründung von Dyndrite im Jahr 2017, wobei er zunächst nach Washington zog, um näher an den ersten Kunden und Mitarbeitern zu sein.

Bevor er Dyndrite gründete, unterrichtete Goel MATLAB und Python an der UC Berkeley, wo er auch sein Bachelor-, Master- und PhD-Studium absolvierte. Diese Lehrerfahrung hat das Softwaredesign von Dyndrite maßgeblich beeinflusst, das den Benutzern auf subtile Weise das Programmieren beibringt.

Das Kernkonzept von Dyndrite und die Auswirkungen auf die Industrie

Das Hauptangebot von Dyndrite ist eine Software, die Kunden von der ersten Nutzung der Maschine bis hin zur Serienproduktion im AM-Bereich begleitet. Goel kategorisiert die Kundenreise in drei Reifegrade:

1. Bauvorbereitung: Dazu gehören wichtige Aufgaben wie das Importieren von Geometrien, das Ausrichten, Verschachteln, Beschriften, Abstützen und Schneiden von Teilen, um sie für die Maschine vorzubereiten. Dies ist zwar nicht der "schönste" Aspekt, aber eine grundlegende Anforderung. Dyndrite automatisiert diese Prozesse in erheblichem Maße, wie ein Kunde gezeigt hat, der durch die Automatisierung des gesamten Prozesses allein bei der Beschriftung 20.000 US-Dollar pro Woche einspart.
2. Material- und Prozessentwicklung: Nach der Herstellung eines ersten Teils streben die Kunden danach, bestimmte Teile auf bestimmten Maschinen mit bestimmten Materialien zuverlässig herzustellen. Der einzigartige Beitrag von Dyndrite in diesem Bereich ist die Entwicklung von Strategien, die der Maschine vorgeben, was sie wann zu tun hat, um die Qualität der Teile und die Produktivität der Maschine zu verbessern. Ein Beispiel hierfür ist die Anwendung eines "Hautparameters" für kritische Bereiche (z. B. 30-60 Mikrometer) und eines "Produktivitätsparameters" für den Kern (z. B. 90-120 Mikrometer), was zu einer zweifachen Verbesserung der Fertigungszeit führen kann. Ein Kunde aus dem Bereich der Antriebstechnik, der über keinerlei Erfahrung oder Simulation verfügte, konnte mit den Werkzeugen von Dyndrite und einfachen mathematischen Berechnungen Inconel-Teile in 1,5 Wochen drucken, die er zuvor für unmöglich hielt.
3. Qualifizierung und Rückverfolgbarkeit: Sobald Teile produziert werden, ist die Sicherstellung der Wiederholbarkeit, Qualifizierung, Kalibrierung und Rückverfolgbarkeit von größter Bedeutung für die Produktionsbereitschaft. Dyndrite zielt darauf ab, die Qualifizierungsprozesse zu vereinfachen, so dass es für Unternehmen einfacher wird, zwischen verschiedenen Softwarelösungen zu wechseln und gleichzeitig die Compliance zu wahren.

Eine Schlüsselinnovation der Dyndrite-Software ist der "Turbomodus", der Python-Code im Hintergrund anzeigt, während die Benutzer mit der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) interagieren. Diese Design-Entscheidung geht auf Goels Sprachlernansatz zurück, bei dem die vertraute grafische Benutzeroberfläche neben der neuen Programmiersprache angezeigt wird, wodurch die Programmierung für Maschinenbauingenieure entmystifiziert und sie ermutigt werden, ihre Praktiken zu kodifizieren. Dieser Ansatz ermöglicht eine fortgeschrittene Automatisierung, z. B. die automatische Generierung von Beschriftungen und Halterungen auf der Grundlage von CAD-Farbmetadaten.

Beobachtungen der Branche und Zukunftsprognosen

Goel stellt fest, dass die AM-Branche einen erheblichen Reifeprozess durchläuft, bei dem immer anspruchsvollere Fachleute komplexere Fragen stellen, was die Innovation vorantreibt. Die Maschinengrößen und -volumina verdoppeln sich weiterhin alle fünf bis zehn Jahre, was einen Bedarf an robusteren Datenverarbeitungsfunktionen für die Erzeugung von Werkzeugwegen schafft.

In Bezug auf den technologischen Fortschritt hebt Goel die entscheidende Rolle der GPUs hervor. Er räumt zwar ein, dass es einen Hype um die künstliche Intelligenz gibt, glaubt aber, dass sich Trends wie Bitcoin, Videospiele und VR am stärksten auf die Zerspanungstechnik auswirken, da verstärkt in die GPU-Entwicklung investiert wird. Dies hat die Algorithmen zur Geometrieberechnung dramatisch beschleunigt und ermöglicht eine schnellere und komplexere Erzeugung von Werkzeugwegen für immer größere Maschinen. Die Geschwindigkeit von GPUs ist um das Tausendfache gestiegen, was fortschrittliche Berechnungen zugänglicher und erschwinglicher macht.

Unter dem Gesichtspunkt der Qualifizierung identifiziert Goel eine Lücke in den bestehenden Rahmenwerken: Durch die Übersetzung traditioneller Leistungsvariablen (Key Performance Variables, KPVs) wie Schraffurabstand, Abstände, Laserleistung und Geschwindigkeit in eine neue Reihe dimensionsloser Zahlen (Ratios) können Unternehmen mehr Flexibilität gewinnen. Anstatt ein Teil auf der Grundlage einer Schichthöhe von 60 Mikrometern zu qualifizieren, ermöglicht die Qualifizierung über die volumetrische Energiedichte eine Anpassung der Schichthöhe (z. B. 120 Mikrometer oder 30 Mikrometer) durch eine proportionale Anpassung der Laserleistung, ohne dass eine erneute Qualifizierung erforderlich ist.

Dieser Ansatz beschleunigt die Anwendung mehrerer Parameter auf ein einzelnes Teil erheblich und ermöglicht einen schnelleren Druck.

Die Erkenntnisse von Harshil Goel unterstreichen die transformative Kraft von Mathematik und strategischer Software bei der Weiterentwicklung der additiven Fertigung. Seine Vision einer rationalisierten Qualifizierung und verbesserten Produktivität ebnet den Weg dafür, dass AM sein volles Potenzial in industriellen Anwendungen entfalten kann.

Verbinden und mehr erfahren

Weitere Einblicke in die Arbeit von Harshil Goel und Dyndrite erhalten Sie in den folgenden Ressourcen:

• Erfahren Sie mehr über die Arbeit von Harshil Goel bei Dyndrite.
• Verbinden Sie sich mit Harshil Goel auf LinkedIn.
• Lesen Sie das Profil von Harshil Goel auf Forbes.