Simulatie: van belastbaarheid tot maakbaarheid

Altair Inspire simulatiegestuurd design spaart tijd en voorkomt dure aanpassingen

Voor Altair is generative design slechts een deel van de oplossing die nodig is om time to market te verkorten. Simuleren tijdens het ontwerpproces is de noodzakelijke andere helft. In de nieuwe versie van Altair Inspire is de simulatiesoftware die tot voor kort voorbehouden was voor de CAE-specialisten, geïntegreerd. De design engineer simuleert niet alleen het design, ook de maakbaarheid, inclusief het AM-proces. Met dit laatste gaat Altair ver als het om metaalprinten gaat.

Simuleren hoe producten of componenten zich in de praktijk zullen gaan gedragen, is tot nog toe het werk van analisten, de CAE-experts. Die zijn echter schaars en kostbaar. “Bovendien wil een designer niet uren of dagen wachten op de resultaten. Hij wil direct antwoord; als het ontwerp niet goed is, past hij meteen een ander design toe”, zegt Theo Verbruggen, directeur Altair Benelux. Om product-ontwerpers de tools in handen te geven zelf à la minute simulaties te doen, integreert Altair de Simsolid software in de nieuwe release van Altair Inspire, als toevoeging van de bestaande solvers uit de simulatiesoftware van het concern. Met Simsolid kan men een snelle (bijna real-time) en nauwkeurige structurele analyse doen van complexe samenstellingen. Theo Verbruggen noemt het vroegtijdig berekenen van belastingen en wrijvingen een essentiële stap in het designproces. “Het falen van een onderdeel is voor een groot deel niet het gevolg van een slechte print of topologie optimalisatie, maar van het niet juist voorspellen van de krachten.” Door de simulatie naar de designfase te halen, kunnen beter onderbouwde ontwerpbeslissingen worden genomen en voorkomt men kostbare veranderingen in een latere fase.

Geen simulatietool maar platform

Michael Wawrzinek van Altair noemt de workflow die in veel organisaties vandaag de dag nog altijd bestaat, namelijk eerst ontwerpen en dan krachten berekenen, achterhaald. “Dat is tijdrovend. Engineers willen simulatiegestuurd designen; ze willen al op dag 1 zien waar het naar toe moet.” Daarom praat Altair over een platform en niet over één tool. In Inspire vindt de engineer de verschillende instrumenten waarmee hij zelf de design spaces kan genereren, topologie kan optimaliseren en krachten, zowel statisch als dynamisch kan berekenen om inzicht te krijgen in de belastbaarheid van zijn ontwerp. En daarna controleert hij de maakbaarheid, waar nu ook Additive Manufacturing aan toegevoegd is. De eerste stap in deze workflow is het bepalen van de design space, de ruimte waarbinnen het product, als onderdeel van een samenstelling, moet passen. De solvers die in de nieuwe release van Altair geïntegreerd zijn, hebben deze design space nodig. Simsolid sluit naadloos aan op de veelgebruikte en speciaal voor designers geïntegreerde solvers zoals OptiStruct (structurele efficiency- en topologieoptimalisatie voor generatief ontwerpen) en MotionSolve (simulatie van dynamisch bewegende delen, inclusief belastingsveranderingen) en Radioss (structurele thermische simulaties). Design engineers kunnen hiermee zelf de belangrijke simulaties doen, die uitsluitsel geven over de geschiktheid van hun ontwerp, voordat ze de stap naar de productie zetten.

De ontwerper simuleert niet alleen belastbaarheid van het product, maar ook de maakbaarheid al tijdens de designfase. In deze zeven stappen wordt duidelijk hoe men vanuit een conventioneel ontwerp tot een geoptimaliseerd design voor Additive Manufacturing komt.

Productietechnieken vergelijken

Ontwerpers hoeven, aldus Michael Wawrzinek, niet meteen te weten welke productietechnologie ze kiezen. Sterker nog: in de software zitten tools om de verschillende maaktechnieken met elkaar te vergelijken, waaronder gieten, extrusie, vormen (en binnenkort spuitgieten) en sinds de laatste Formnext ook Additive Manufacturing. “Je kunt een vergelijkingstabel openen om te zien welke techniek bijvoorbeeld het lichtste ontwerp mogelijk maakt. Of het ontwerp met de hoogste stijfheid”, geeft hij als voorbeeld. Altair werkt momenteel aan een volgende stap als het om vergelijken gaat, namelijk de kostprijs. Dat is een actueel thema in de sector, waar veel vraag naar is. “Maar het is ook een moeilijk thema”, zegt Wawrzinek. Wanneer dit beschikbaar komt is nog niet bekend. “Elk designer weet echter dat je voor vijf producten geen zandvorm gaat maken om te gieten.” De nieuwe versie van Altair Inspire bevat wel al de software om het design voor Additive Manufacturing te optimaliseren. Dat gaat zover dat het printproces gesimuleerd wordt, om bijvoorbeeld nog beter te zien waar vervorming optreedt, waar support nodig is of hoe je support kunt minimaliseren zonder risico op kromtrekken of delaminatie.

Laserpoederbed metaalprinten simuleren

Deze tool is beschikbaar voor laserpoederbed metaalprinters. De eerste stap is het materiaal kiezen (standaard zitten van 7 materialen de data in het systeem), de engineer kan ook eigen materiaaldata toevoegen. Wie met een 3D metaalprinter van EOS, Renishaw of SLM Solutions werkt, kan deze in de software selecteren om de printsimulatie mee te doen. “Heb je niet een van deze, dan kies je de standaard 3D printer. De resultaten verschillen niet echt veel”, zegt Michael Wawrzinek hierover. Er kunnen verschillen ontstaan in de voorspelde vervorming en de vervorming in de praktijk. Maar omdat printerwaarden zelf gewijzigd kunnen worden, kan men de software kalibreren voor de eigen machines. “Bij onze validatietesten zagen we verschillen tussen de voorspelde en behaalde vervorming van 3 tot 5 procent. Dat is best goed, daarmee kun je het proces dat nu vooral uit trial and error bestaat, echt versnellen.” In de toekomst wil Altair ook 3D metaalprinters van GE Additive en Trumpf integreren. Volgend jaar komt dan de uitbreiding naar polymeer poederbed printers. Met de grote materiaalleveranciers van polymeren, wordt momenteel ook intensief samengewerkt om databases met gevalideerde materiaal data te creëren.

Oriëntatie simuleren

Een nieuwe mogelijkheid die voor 3D metaalprinten praktisch uitpakt, is het simuleren van de oriëntatie van het werkstuk. De engineer kan bepaalde waarden ingeven, zoals de minimale laagdikte en het minimaliseren van overhang, waarna de software automatisch supportstructuren genereert. “Je ziet ook de printtijd en het supportvolume bij een bepaalde oriëntatie. Uiteindelijk kies je dan de beste oriëntatie en de supportstructuur die je wilt, waarna deze automatisch worden gegenereerd”, aldus Theo Verbruggen. De engineer kan kiezen uit drie types support, waarna het model in de Altair software gesliced wordt. Theo Verbruggen: “Hiermee kan de engineer de laagopbouw simuleren om te controleren of je in bepaalde lagen niet veel meer of minder materiaal aanbrengt dan in andere. Dat kan tot deformatie leiden.” Met deze functie wordt het design gevalideerd voor de 3D metaalprinter. Als laatste stap wordt deze file geëxporteerd naar Magics of rechtstreeks naar de 3D printer gestuurd voor de processimulatie. “Bij elke stap kun je terug naar het designproces waarbij alle settings bewaard blijven”, benadrukt Theo Verbruggen, om daarmee het belang van de integratie van de verschillende softwareoplossing in Altair Inspire te benadrukken.

Simulatie gedreven design democratiseren

Don Tolle, practice director simulation-driven systems design bij consultancybureau CIMdata, denkt dat Inspire met de nieuwe release van Altair een belangrijke tool in handen heeft om simuleren in de PLM-industrie te democratiseren. “Inspire verbreedt de toepassing van analyses naar de ontwerpers, terwijl het gecombineerd gebruik met Simsolid waarde toevoegt voor simulaties door CAE-specialisten die niet vaak met CAD-tools werken.” De expert van het consultancybureau, gespecialiseerd in innovatie en PLM, denkt dat de nieuwe software het makkelijk maakt om businessvoordelen van simulatiegestuurd ontwerpen te benutten.