Entwurf für AM: CAD-Tools, Simulation, Voxel und die Zukunft des AM-Designs

23. Juli 2025 | Lesedauer: 6 min

 

In einer speziellen Live-Aufnahme von der Rapid + TCT Show in Detroit stellte der Additive Snack Podcast den aufschlussreichen Dr. Andreas Vlahinos vor, einen wahren Vordenker des Designs in der additiven Fertigung (AM). Dr. Vlahinos, der auf eine lange und erfolgreiche Karriere zurückblicken kann, sprach über die Entwicklung des Designs für die additive Fertigung (DfAM), die spannenden Projekte, die er in Angriff genommen hat, und die Leidenschaft, die seine innovative Arbeit antreibt.

 

Die Entwicklung des Designs für die additive Fertigung: Von der Aufholjagd zur simulationsgesteuerten Innovation

Dr. Vlahinos erinnerte sich an die Zeit, als parametrische CAD-Systeme es Ingenieuren ermöglichten, Designs mit interner Komplexität zu entwerfen, die in der traditionellen Fertigung nicht hergestellt werden konnten. Dann übertrafen die Fortschritte bei AM-Pulvern, Maschinen und Scantechniken die Konstruktionsmöglichkeiten, was bedeutete, dass wir in der Lage waren, Teile zu bauen, die wir nicht entwerfen konnten. Dies spornte eine Entwicklung im CAD-Bereich an, und es entstanden neue Unternehmen und Werkzeuge, die die Konstruktion komplexer Geometrien wie Gitterstrukturen, einschließlich Kreiseln, ermöglichten - Strukturen, die er in den 80er Jahren kennenlernte, aber bis vor kurzem nicht vollständig nutzen konnte.

Der eigentliche Umbruch in den letzten drei Jahren war laut Dr. Vlahinos der "enorme Fortschritt bei der simulationsgestützten Konstruktion". Jetzt ist es möglich, eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) an einem massiven Teil durchzuführen, die Ergebnisse zu speichern und diese Daten dann zu verwenden, um beispielsweise die Dicke eines Kreisels auf der Grundlage von Rest- oder von Mises-Spannungen zu variieren.

Eine kritische Hürde war die Interoperabilität zwischen traditioneller Boundary Representation CAD-Geometrie und voxelbasierten Geometrien, die von fortschrittlichen DfAM-Tools erzeugt werden. Der jüngste Wandel in der Simulationstechnologie hin zu voxelbasierten Ansätzen hat Echtzeitsimulationen innerhalb der Designumgebung ermöglicht. Die Konstrukteure können nun die Simulationsergebnisse während des Entwurfs sehen, was sofortige Änderungen auf der Grundlage von Belastungspunkten ermöglicht.

 

Überbrückung der Wissenslücke: Tools und Schulungen

Trotz dieses Fortschritts sind die Arbeitskräfte oft ins Hintertreffen geraten. Dr. Vlahinos führte dies auf mehrere Faktoren zurück: das rasante Tempo der technologischen Verbesserung mit jeder neuen Softwareversion, die Tatsache, dass die akademische Welt mit diesen neuen Werkzeugen nicht Schritt hält, und das bürokratische Verfahren zur Akkreditierung neuer Kurse. Das Ergebnis ist, dass Ingenieure ihren Abschluss ohne Kenntnisse dieser wichtigen DfAM-Fähigkeiten machen.

Um dem entgegenzuwirken, wendet sich die Industrie zunehmend der internen Just-in-time-Schulung zu. Dr. Vlahinos hat letztes Jahr selbst 480 Ingenieure bei Lockheed Martin geschult, von denen viele die fortschrittlichen DfAM-Tools, die bereits in ihrer bestehenden Software enthalten sind, nicht kannten.

Persönlich nutzt er Tools wie PTC Creo mit seinem integrierten voxelbasierten Design und Creo Simulation Live sowie nTopology (jetzt nTop) wegen seiner leistungsstarken impliziten Modellierungsfunktionen, die die Erstellung riesiger Gitterstrukturen und einzigartiger Operationen wie das Verschmelzen von Kreiseln mit Solid CAD oder das Schalen von Kreiseln für doppelwandige Strukturen ermöglichen. Obwohl nTop sehr leistungsfähig ist, stellt er fest, dass die Benutzerfreundlichkeit und die Interoperabilität von nTop, obwohl sie sich verbessert haben, immer noch Herausforderungen darstellen.

Einfluss auf das menschliche Leben: Das Oberschenkelimplantat-Projekt

Auf die Frage nach seinen aufregendsten Projekten der letzten Zeit hob Dr. Vlahinos einen medizinischen Fall von großer Tragweite hervor, der etwa zwei Jahre zurückliegt. Eine junge Frau mit Krebs im Oberschenkel brauchte innerhalb einer Woche ein Implantat, um eine Amputation zu vermeiden.

Dazu musste man schnell lernen, DICOM-Daten aus einem CT-Scan zu verarbeiten, um ein STL zu generieren, es in ein Volumenmodell umzuwandeln, den krebsbefallenen Knochen virtuell zu resezieren, das Implantat mit integrierten Brackets zu entwerfen und radiale Gitterstrukturen für die Osseointegration einzubauen, während man gleichzeitig einen Kanal für einen chirurgischen Nagel sicherstellte.

Das Implantat wurde gedruckt und erfolgreich implantiert, und der Patient konnte innerhalb von zwei Wochen ohne Hinken gehen. Obwohl diese "Liebesarbeit" lohnender war als jedes bezahlte Projekt, wies Dr. Vlahinos auf die konservative Natur des medizinischen Bereichs hin und hofft auf mehr Offenheit gegenüber DfAM-fähigen Innovationen wie klappbaren Implantaten.

Creo 8-Gyroid-Gitter

Der Entwurfsprozess von Wärmetauschern: Ein tiefer Einblick

Anschließend erläuterte Dr. Vlahinos sein sorgfältiges Verfahren zur Entwicklung additiv gefertigter Wärmetauscher: 

  1. Durchführbarkeit ("Könnte ich, sollte ich"): Kann es innerhalb des Umschlags gedruckt werden? Ist das Material verfügbar? Haben wir Zugang zu einem Drucker? Und, ganz wichtig: Ist es im Vergleich zu herkömmlichen Methoden (z. B. Röhren und Schalen oder gelötete Platten) wirtschaftlich sinnvoll? Dazu gehört eine Analyse der Gesamtbetriebskosten unter Berücksichtigung von Faktoren wie Ermüdungslebensdauer und Wartung.
  2. Leistungsziele und digitale Bibliothek: Welche Leistung ist erforderlich? Dr. Vlahinos möchte die Leistung der bestehenden Lösung mindestens verdoppeln. Ziel ist die Erstellung eines digitalen Zwillings - eines Modells im Entwurfszustand und eines Modells im Druckzustand (einschließlich Ausrichtung, Halterungen, Bearbeitungszugaben), das in einem PLM-System für den On-Demand-Druck gespeichert wird.
  3. Ursprünglicher Entwurf und CFD: Identifizieren Sie die Ein- und Auslässe, definieren Sie ein großes begrenztes Volumen und führen Sie eine CFD-Analyse dieses Volumens mit grundlegenden Einlass-/Auslasstemperaturen und -drücken durch. Die häufig verwendeten TPMS-Strukturen haben von Natur aus einen geringen Druckabfall.
  4. Strömungsgeführte Formgebung: Die sich aus der CFD ergebenden Strömungslinien steuern die Materialplatzierung, grenzen Rezirkulationsbereiche aus und definieren das Grundvolumen des Wärmetauschers.
  5. Konjugierte Wärmeübertragung und Effizienz: Sobald das Festkörpervolumen definiert ist, führen Sie eine konjugierte Wärmeübertragungsanalyse durch, um die Temperaturen und Drücke im gesamten Raum zu bestimmen und den Wirkungsgrad des Wärmetauschers zu berechnen.
  6. Designuntersuchung und -optimierung: Wenn der Wirkungsgrad niedrig ist, werden Parameter wie die Größe der Einheitszelle und der Gittertyp untersucht. Es wird ein DOE-Ansatz (Design of Experiments) verwendet, bei dem mehrere Konfigurationen durchgeführt werden. Die Ergebnisse werden visualisiert (z. B. parallele Diagramme, Pareto-Fronten), um optimale Designs zu ermitteln.
  7. Herstellbarkeit und Zusammenarbeit: Sobald das optimierte Design der Fertigung vorgelegt wird, werden Einschränkungen wie die Entfernung der Stützstruktur, Bearbeitungszugaben und Bezugspunkte für die Nachbearbeitung berücksichtigt. Fertigungsüberlegungen, wie die minimale druckbare Wandstärke, werden in die DOE-Bereiche zurückgeführt.
  8. Simulation des Herstellungsprozesses: Die Analyse der Fläche-gegen-Höhe-Darstellung kann abrupte Querschnittsänderungen aufzeigen, die zu Problemen führen können, so dass Konstruktionsänderungen, wie z. B. gewellte Platten oder Rampen, erforderlich werden.

 

Inspiration für die nächste Generation (und die jetzige)

Designern, die neu in der AM-Branche sind oder sich damit schwer tun, rät Dr. Vlahinos, dass es bei der Ausbildung um Inspiration und nicht nur um Information gehen sollte.

Er beginnt seine DfAM-Kurse, indem er die brillanten Designs der Natur vorstellt - wie Bäume Topologieoptimierung nutzen oder wie Schmetterlingsflügel mit dünnen Strukturen große Spannweiten erreichen.

Dann liefert er "Saatgut" für Innovationen, wie z. B. die Einbettung von Wärmerohren in das Gehäuse von Elektronikplatinen, indem er interne Hohlräume entwirft, ein paar Tropfen Wasser hinzufügt und sie versiegelt. Der schwierigste Teil ist seiner Meinung nach die Überwindung der Denkweise, die durch 150 Jahre Design für subtraktive Fertigung geprägt ist.

Dr. Andreas Vlahinos' Einblicke zeichnen ein lebendiges Bild eines sich schnell entwickelnden Bereichs, in dem hochentwickelte Werkzeuge, strenge Prozesse und vor allem eine kollaborative Denkweise das volle Potenzial von AM freisetzen.

 

Verbinden und mehr erfahren

Für mehr von Dr. Andreas Vlahinos: