Altair-expert Ravi Kunju over geavanceerde simulatiesoftware voor 3D-printen

Het bereiken van een eenvoudigere en snellere ontwerpvoorbereidingsworkflow is een lopende zoektocht binnen de 3D-printindustrie. Ontwerpen voor Additieve Productie is een complex proces, met unieke uitdagingen en kansen.

Daarom vereist het relevante tools om ingenieurs in staat te stellen om vol te profiteren van de ontwerpvrijheid van AM. Altair is een van die bedrijven die deze oplossingen ontwikkelt. Altair is een wereldwijd technologiebedrijf dat software- en cloudoplossingen levert in de gebieden productontwikkeling, high-performance computing en data-analyse.

In deze week Expert Interview spreken we met Ravi Kunju, Sr. VP Business Development & Strategy, Simulation-Driven Design, bij Altair. Met Ravi leren we meer over de onlangs gelanceerde Altair Inspire Print3D softwaretool, de huidige staat van simulatiesoftware voor 3D-printen, en verkennen we enkele van de spannende AM-toepassingen die door Altair-oplossingen mogelijk worden gemaakt.

Kunt u ons vertellen over Altair en de uitdagingen die u oplost?

We zijn een wereldwijd technologiebedrijf dat software- en cloudoplossingen levert in het gebied van productontwerp, productontwikkeling, high-performance computing en ook data-analyse.

Onze visie, en wat we de afgelopen 30+ jaar in business hebben gedaan, is het transformeren van product- en zakelijke besluitvorming door onze simulatiechnologie, onze data-analyse-oplossingen, en ook onze toonaangevende ontwerpoptimalisatie-oplossingen.

Ik ben verantwoordelijk voor de simulation-driven design-producten voor Altair.

U heeft onlangs Altair Inspire Print3D software gelanceerd. Kunt u de verschillende softwareoplossingen uitleggen die u aanbiedt?

Altair Inspire Print3D is slechts een van de vele oplossingen die we aanbieden. Altair is al jaren lang een leider op het gebied van optimalisatie. We hebben klanten die onze optimalisatietechnologie gebruiken om hun ontwerpen te creëren voor allerlei productiemethoden - of het nu plaatmetaalvorming, gieten, extruderen of injectiegieten is. Ze gebruiken onze technologie ook om de prestatie-eisen beter te begrijpen en generatieve ontwerpen specifiek voor een productieproces te creëren. In die context is het belangrijk om de twee uiteinden van het spectrum te begrijpen. Één is wat het ontwerp drijft en het andere is wat er gebeurt zodra u een ontwerp hebt dat u wilt produceren. Deze elementen komen samen op ons platform. Een van de dingen die we met ons Inspire-platform gedaan hebben, is het simulation-driven design-proces vooraan brengen en het heel makkelijk maken voor ontwerpers om te begrijpen en ontwerpen te drijven, terwijl ze volledig bewust zijn van het productieproces. Aangezien het niet verstandig is om het productieproces van de ontwerpeisen te scheiden, hebben we ze allemaal in één enkele omgeving gezet via ons platform.

Dus, Inspire Print3D is gericht op twee dingen. Één is, onder het Inspire-platform, het toestaan aan onze gebruikers om ontwerpen te genereren specifiek voor elk AM-proces; met specifieke productieregels (constraints) die het ontwerp drijven om aan het productieproces te voldoen. Twee is om alle prestatie-eisen te nemen en ze te combineren, en geavanceerde numerieke methoden te gebruiken om automatisch een ontwerp te genereren voor selectieve lasersmelting (SLM) of gefuseerde depositie (FDM) of binder jetting (MJF) of Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM).

Dus, de Print3D-module stelt u in staat om niet alleen het ontwerp te genereren, maar helpt ook bij het virtueel valideren van de prestaties van het nieuwe ontwerp dat u hebt gecreëerd.

Simulatie door Altair's Inspire Print3D software [Afbeeldingscredit: Altair]

De eerste release van Print3D stelt de gebruiker in staat om het selectieve lasersmeltproces te simuleren. Een geavanceerde thermo-mechanische simulatie is in deze omgeving ingesloten om eventuele productieproblemen die tijdens 3D-printen kunnen ontstaan te evalueren zoals vervorming, hoge spanningen en barstingen geassocieerd met hen. De ontwerpers kunnen het ontwerp genereren en de ondersteuningsstructuren toevoegen, en eventuele problemen oplossen allemaal binnen één enkele omgeving voordat ze naar print gaan. Het grootste voordeel dat we zien is dat vandaag, als u kijkt naar wat klanten in AM doen, ze meestal een suboptimale benadering hebben voor het creëren van een optimaal ontwerp. Bovendien, eenmaal dat ze een ontwerp hebben bedacht, proberen ze ondersteuningsstructuren te plaatsen om ervoor te zorgen dat ze het onderdeel kunnen printen en ontdekken later dat ze problemen hebben. Voor al deze stappen zijn er afzonderlijke softwareoplossingen.

Altair elimineert al dat door gebruikers in staat te stellen om een onderdeel te ontwerpen en te evalueren binnen één enkele omgeving. Het is bekend dat ongeveer 45 procent van de kosten geassocieerd met metaal AM vandaag toegeschreven kan worden aan ondersteuningsverwijdering. Effectief gebruik van onze ontwerpregels (constraints) stelt eindgebruikers in staat om ontwerpen te creëren die minimale of nul ondersteuningen hebben. We staan gebruikers ook toe om ondersteuningsstructuur te creëren, de effectiviteit ervan te begrijpen door de thermo-mechanische simulatie; waarin we de build, afkoeling, ondersteuningsverwijdering en de daaropvolgende springback en geassocieerde vervorming kunnen simuleren en downstream-fouten voorkomen. Dat is wat Inspire Print3D doet: het stelt eindgebruikers in staat om te ideëren, evalueren en valideren van uw ontwerp, in één enkele omgeving. Altair Inspire helpt onze eindgebruikers om lichte en hoogpresterende ontwerpen te creëren terwijl tegelijkertijd de productiviteit wordt verbeterd.

Hoe zou u de huidige staat van ontwerp, simulatie en topologie-optimalisatiesoftware voor AM beschrijven?

Altair is al een aantal jaren de leider in topologie-optimalisatie en generatief ontwerp, niet alleen voor additief, maar voor alle productieprocessen. We hebben meer dan 5.000 klanten die onze producten dagelijks gebruiken om optimale ontwerpen te creëren. Maar niet alle generatieve ontwerptools zijn gelijk. We hebben de beste numerieke methoden om sleutelproblemen op te lossen en we zijn de enigen die verschillende prestatiecriteria, belastinggevallen samen nemen en combineren met productieconstraints, om ontwerpen te creëren die heel specifiek zijn voor dat ontwerpproces. Om een ontwerp te drijven en te genereren, zijn er twee dingen die goed begrepen moeten worden: prestatie-eisen en het productieproces. Bijvoorbeeld, als u metaalgieten doet en u wilt geen kernen hebben, die offergeofferd en duur zijn, of als u een vorm wilt creëren zonder ondergesneden voor efficiënte verwijdering van patronen uit de vormkaft; de juiste productieconstraints moeten gecombineerd worden met prestatieproductie om lichte ontwerpen te genereren. Er zijn veel tools die een organisch ontwerp kunnen genereren, en mensen neigen te denken dat dat alles is wat nodig is. Maar in feite is dat slechts het begin, want u wilt ervoor zorgen dat u de productieprocessen begrijpt en wat het optimale ontwerp moet zijn voor een gegeven proces. Alleen een optimale vorm genereren is niet voldoende als u de productievereisten niet begrijpt. In de generatieve ontwerpruimte zijn er veel numerieke benaderingen die u kunt gebruiken; bijvoorbeeld, kunt u sommige ontwerpvariabelen perturberen en duizenden ontwerpen genereren en dan zeggen, 'Ik ga al deze verschillende vormen en maten varieren en dat geeft me duizend ontwerpen, evalueer elk en identificeer dan de beste.' Dit kan suboptimaal, tijdrovend en duur zijn voor bepaalde componentniveau-optimalisatie. U krijgt misschien geen goede oplossing. Aan de simulatiezijde vandaag, is AM voornemelijk beperkt tot prototypen. Maar Altair is op een zoektocht geweest om onze klanten te helpen het proces te transformeren om meer dan one-off onderdelen te maken. Kunnen we andere methodologieën verkennen zoals binder jetting? Kunnen we hybride gieten verkennen, waar u zand print en dan gietingen in een zandvorm giet? Kunnen we enkele van deze opties verkennen om uw capaciteit om te zetten in capaciteit?

Dat is onze zoektocht om diep de unieke productievereisten te begrijpen. Vandaag zijn we de leiders voor het creëren van hoogpresterende lichte onderdelen, alsmede tooling en assemblage, met de nieuwste design for manufacturing-methoden.

Kunt u over enkele toepassingen praten die bereikt zijn, deels dankzij uw ontwerpsoftware?

De vroegste adopters waren satelliet- en luchtvaartbedrijven, omdat ze geen grote volumes hadden, maar ze hadden hoog geoptimaliseerde en lichte ontwerpen nodig. We ontwierpen een telescoophouder en andere houders met EOS voor EADS waar complexe belastingssituaties speelden.

We werken ook met automotive-bedrijven, inclusief de likes van BMW, Ford, GM en een overvloed aan andere bedrijven over de hele wereld, die additieve productie verkennen als een haalbare optie voor prototypen. Als ik het opsplits, zien we niet alleen direct 3D-printen, maar een overvloed aan hybride productie ook, waar traditionele productie gecombineerd wordt met additieve. Wat ik daarmee bedoel is, bijvoorbeeld, zand 3D-printen van kernen en vormen voor gieten.

Het tweede gebied is vormen voor kunststof injectiegieten. Het is belangrijk dat de vormassemblage die de kaviteit vormt, niet scheidt tijdens de verteringscyclus wat flits induceert dat verwijderd moet worden. De hele vorm kan structureel geoptimaliseerd worden met generatief ontwerp om de integriteit onder de belasting te behouden. Naast de structurele optimalisatie, kunnen we ook optimaliseren voor warmte-uitwisseling met conformele koelkanalen die om regio's heen wikkelen die snelle afkoeling vereisen. Dergelijke organische structuren zijn ideaal voor 3D-printen. We werken met PROTIQ aan deze voorbeelden, waar u kan gaan van bijna 9 seconden cyclus-tijd naar 3 seconden. Dus, als u een miljoen onderdelen per dag maakt, kunt u dan 3 miljoen onderdelen per dag maken. Het betekent dat u uw productiviteit drievoudig kunt vergroten, de vorm te optimaliseren voor het injectiegietproces.

We werken ook met de robotica-industrie, die talloze toepassingen heeft waar ontwerpoptimalisatie en 3D-printen gebruikt worden voor robotische end-of-arm greppers. De greppers slijten heel snel en dus moeten ze onmiddellijk vervangen worden om assembly-line-storingen te voorkomen. Voor extrem grote structuren, hebben we onlangs samengewerkt met MX3D aan een 3D-geprint robotarm. MX3D is een 3D-printbedrijf, dat eigentijds draadboog-gebaseerde technologie gebruikt om grote metaalstructuren te produceren.

MX3D's RobotArm geoptimaliseerd met de hulp van Altair's software [Afbeeldingscredit: Altair]

Onze software stelde MX3D in staat om het robotarm-ontwerp te optimaliseren om meer dan de helft van het oorspronkelijke gewicht te reduceren, rekening houdend met printconstraints. Voor dit project gebruikten onze ingenieurs Generative Design Customisation om de meest efficiënte vorm voor de 3D-geprinte robotarm te bedenken. Er zijn ook veel defensietoepassingen die kunnen profiteren van 3D-printen. Bijvoorbeeld, als een deel van een gevechtsvoertuig breekt, wilt u in staat zijn om dit deel lokaal direct te printen, zonder te hoeven wachten op een vervangingsonderdeel. Dit is vooral het geval voor legacy-onderdelen waar u misschien geen tekeningen voor heeft. Onze oplossingen worden ook gebruikt in het veld van medisch 3D-printen. Bijvoorbeeld, Andiamo, een orthotisch bedrijf, gebruikt 3D-printen om beter passende orthotische hulpmiddelen te creëren. De traditionele manier om een orthese te maken is door een lid van een torso in gips te wikkelen, wat dan afgeknipt wordt en naar handmatige fabricage wordt gestuurd. Andiamo's proces elimineert de noodzaak voor gipsgijzen, beginnend in plaats daarvan met een digitale 3D-scan van het lichaam, een hoog nauwkeurig model creërend om rond te ontwerpen. Het proces omvat ook talloze simulaties om een perfecte pasvorm voor een kind te garanderen. We zien ook een toenemende interesse in 3D-printprocessen zoals binder jetting. We werken met enkele van onze partners in deze ruimte, zoals Desktop Metal en ExOne. We presenteerden binder jetting-toepassingen op Formnext, waar we het hele proces doorliepen van het creëren van een fietsbeugel met FDM, SLM, Hybrid-Casting en binder jetting-proces.

Kijken naar de industrie in het algemeen, wat ziet u als enkele van de belangrijke ontwikkelingen voor 2020?

De industrie beweegt heel snel. Wanneer ik naar AM-evenementen ga, is het duidelijk dat het aantal printerfabrikanten en materialenleveranciers bijna elk jaar verdubbelt. Met de toenemende concurrentie, ben ik heel positief dat de kosten gaan dalen, wat een grote afschrikking is aan de additieve productiezijde nu. Het toenemende aantal spelers zal waarschijnlijk de eindconsument helpen.

Kijk naar de tandheelkundige industrie, bijvoorbeeld. Het is een van de meest volwassen, omdat als een consument een nieuwe kroon wil laten zetten, hun tandarts simpelweg een scan van de tand maakt en de scan stuurt om in 2-3 dagen te printen. Die cyclus moet in andere industrieën ook bereikt worden. En dat is waar iedereen naar zal blijven streven in 2020.

Zijn er uitdagingen die u denkt nog overwonnen moeten worden om de adoptie van 3D-printen verder te versnellen?

Er zijn een aantal uitdagingen die met elkaar verweven zijn. Nummer één is kosten. De kosten zijn natuurlijk gerelateerd aan de grootte van het onderdeel en het productievolume wat bepaalt welk type productiemethode gebruikt moet worden. Zelfs binnen additieve productie wilt u misschien gaan met selectieve lasersmelting of met metaal binder jetting. Het tweede aspect is certificering. Hoe zijn we in staat om een onderdeel te certificeren afhankelijk van of het onderdeel een belastingsdragend onderdeel is of een veiligheidskritisch onderdeel? En wat is het niveau van herhaalbaarheid? Vandaag is de uitdaging dat we de kosten niet kunnen controleren en lage herhaalbaarheid hebben. Als een onderdeel geprint wordt in een bepaalde printer, kan men dezelfde specificaties bereiken als dat onderdeel geprint wordt door een andere printer en op een andere locatie? Wat zijn de odds dat de onderdelen precies hetzelfde zullen gedragen? Dat resulteert in een uitdaging om de fysica die op micro-niveau speelt nauwkeurig te modelleren. Dit roept de vraag op of gebruikers vertrouwen kunnen hebben dat het eindonderdeel consistent geprint kan worden over verschillende platforms en locaties. Er is zoveel werk dat gedaan moet worden in termen van het vestigen van industrie-brede standaarden en materiaalkwalificatie. Materialenleveranciers, printerfabrikanten, softwareproviders - iedereen moet samen komen om bepaalde standaarden te vestigen in termen van wat acceptabele toleranties zijn voor licht belaste, of zwaar belaste veiligheidskritische onderdelen; in termen van voldoen aan interne porositeit en/of externe oppervlaktekwaliteit. Als u kijkt naar de geschiedenis, of het nu gieten, smeden of plaatmetaal is, over de jaren hebben ze allemaal een vereniging aan zich gehad, zoals de American Foundry Society, bijvoorbeeld. Er zijn veel organisaties die toegewijd zijn aan het bijeenbrengen van iedereen en het creëren van standaarden. Vandaag de dag explodeert de AM-mark in alle gebieden, maar uiteindelijk moet het allemaal samen komen om collectief standaarden te creëren en te zorgen dat elke industrie-speler op dezelfde pagina zit.

Tot slot, wat houdt het komende jaar in voor Altair?

We zullen doorgaan met het ontwikkelen van meer simulatieoplossingen voor onze gebruikers. Wat de additieve productieprocessen betreft, zullen we doorgaan met het ontwikkelen van oplossingen die technologiegebruikers helpen het proces te valideren en de onzekerheden die daarbij horen te begrijpen. Uiteindelijk zijn we gericht op drie hoofdpijlers: prestaties begrijpen, een ontwerp creëren door twee dingen te combineren; prestaties, en het productieproces zelf. Ze moeten allemaal hand in hand gaan, en we zullen doorgaan met onze missie om onze klanten te helpen prestaties en het productieproces zo nauwkeurig mogelijk te valideren om de ontwerpen te drijven. We zullen doorgaan met het combineren van fysica met high-performance computing en data. We moeten ze allemaal samenvoegen, want sommige problemen kunt u oplossen door de fysica te begrijpen en sommige moet u oplossen met machine learning. We zullen streven naar het combineren van al de technologieën die we ontwikkelen om dingen efficiënter en winstgevender te maken voor onze klanten, met als einddoel hen te helpen betere beslissingen en beter presterende producten te maken.