Der 3D-Druck ermöglicht die Umsetzung komplexer und individuell angepasster Bauteile, die in herkömmlichen Produktionsverfahren nur schwer oder gar nicht realisierbar wären. Die Gestaltung und Produktion von 3D-gedruckten Teilen sind stark von den verfügbaren Ressourcen abhängig, da sie das endgültige Design und die Leistungsfähigkeit maßgeblich beeinflussen. Idealerweise könnten sämtliche denkbaren Material- und Geometriekombinationen getestet werden, um die optimale Kombination zu finden. Jedoch wäre ein manuelles Entwerfen, Drucken und Testen all dieser Varianten sowohl zeitaufwendig als auch kostspielig. Softwarelösungen wie die Carbon Design Engine ermöglichen die schnelle und intelligente Auswahl, Zusammenstellung und Integration von Geometrien gewünschter mechanischer Eigenschaften in einer Gitterstruktur (Lattice) und erlauben die Abschätzung der Performance, ohne vorher physische Teile drucken zu müssen.

Wie Gitterstrukturen funktionieren

Das Design und der Druck von Teilen mit Gitterstrukturen sind ein wesentlicher Vorteil der additiven Fertigung (AM), da sie einzigartige Eigenschaften bieten, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht repliziert werden können. Einige der Vorteile von Gitterbauteilen sind Energieabsorption und -rückgewinnung, Komfort und gleichmäßige Stressverteilung, Anpassungsfähigkeit, erhöhte Atmungsaktivität sowie die Möglichkeit zur leichteren Konstruktion.

Das sich wiederholende Muster jeder Zellart weist einzigartige ästhetische und physische Eigenschaften auf. Das Voronoi-Muster beispielsweise hat ein schaumartiges, nichtlineares Spannungs-Dehnungs-Verhältnis, das zu einer hohen Energieabgabe und einer ästhetischen Wabenstruktur führt. Im Gegensatz dazu hat das Tetraeder-Muster eine Biegeantwort, die sich für Komfortpolsterung in einem statischen Umfeld eignet, und eine dreieckige Ästhetik.

Links: physischer Test; rechts: simulierter Test. © Carbon

Zelltypen können kombiniert werden, um Zonen mit unterschiedlichen Eigenschaften innerhalb desselben Teils zu erzeugen. Hybridzellen kombinieren zwei (oder mehr) Primärzellen zu einer neuen Zelle, was eine unendliche, kontinuierlich parametrisierte Zellenfamilie erzeugt. In einem Muster können diese Hybridzellen über ein selbstkonsistentes Interpolationsschema, das die Strebenkonnektivität garantiert, räumlich in jeden anderen Hybridzellentyp übergehen. Das selbstkonsistente Interpolationsschema schätzt Werte zwischen Datenpunkten, während die Zellen räumlich übergehen, um die topologische Konsistenz im Inneren des Teils sicherzustellen. Das bedeutet, dass die Kombinationen und Möglichkeiten zur Erstellung eines Gitters endlos sind. Wie können Designer also die richtige Kombination für ein Produkt finden? Das Entwerfen, Drucken und Testen selbst von 100 dieser Möglichkeiten würde Monate dauern. Obwohl diese Zeit kürzer ist als bei einer herkömmlichen Fertigung, kann Carbon das Problem mithilfe von Simulationen und maschinellem Lernen (ML) lösen.

Simulation der Belastung auf einem Gitter

Um ein so komplexes System zu modellieren, benötigte Carbon einen Simulator, der große Verformungen, Biegen und Kontakte genau modellieren kann. Unter diesen Anforderungen ist die Handhabung des Selbstkontakts der Hauptengpass für Simulatoren. Wenn diese Einschränkungen weggelassen werden und ein linearer Solver ohne Kontakt verwendet wird, würde dies dazu führen, dass die berechnete Kraft-Verformungs-Reaktion unrealistisch steif ist, und das Werkzeug wäre nicht in der Lage, Merkmale wie Plateau-Spannung und Verdichtungssteifigkeit genau zu erfassen. Kürzlich schlugen Forscher der NYU einen hochmodernen automatisierten Rahmen vor, den sogenannten Incremental-Potential-Contact(IPC)-Algorithmus, der in der Lage ist, sehr komplexe Mehrkörper-Kontaktphysik zu bewältigen. IPC bietet einen kontaktlosen Kontaktalgorithmus durch Einführung von mechanistisch fundierten Barrierenenergiefunktionen.

Mithilfe von IPC führte Carbon eine hochauflösende physikalische Simulation an Lattice-Kuboiden durch. Unter Verwendung eines der elastomeren Materialien von Carbon simulierten sie die quasi-statische Belastung einer Gitterzelle unter Berücksichtigung von Kontakt und Biegen. Anschließend führten sie einen herkömmlichen physikalischen Validierungstest an einem gedruckten Teil mit dem gleichen Material durch und verglichen die simulierten Validierungsergebnisse mit den physischen Validierungsergebnissen.

Mithilfe dieses Prozesses konnte Carbon einen Neuralen Operator entwickeln, der alle diese Daten verwendet, um die mechanische Reaktion eines Gitterpucks vorherzusagen. Dies erfolgt mithilfe eines Aufmerksamkeitsmechanismus, der sequenzielle Daten und weitreichende Abhängigkeiten (wie ein Transformer) verarbeitet. Carbon kann automatische Differentiation verwenden, da alle Parameter glatt sind, einschließlich derjenigen, die die Form des Gitters bestimmen. Unter Verwendung physikalischer Skalierungsregeln konnten Daten für andere elastomere Harze generiert werden.

Metamaterialien-Bibliothek

In der Metamaterialien-Bibliothek von Carbon gibt es über 9.000 Datensätze, die eine breite Palette von mechanischen Reaktionen abdecken. Mit der Funktion "Find Unit Cell" kann ein Designer Bereiche für gewünschte Reaktionen, Gittertypen und hochrangige geometrische Parameter definieren, wodurch die Möglichkeiten erheblich eingeschränkt werden. Auf Grundlage dieser Optionen können Designer die nichtlineare Materialantwort bis zur Verdichtung für Tausende von Gitterstrukturen vergleichen. Sie können all diese Vergleiche durchführen, ohne jede Option einzeln simulieren zu müssen. Mit diesen Daten können Gitterstrukturen kombiniert werden, um ein einzelnes druckbares Teil mit genau den in jedem Abschnitt benötigten Eigenschaften zu erstellen. Die Carbon Design Engine könne diese Übergänge mühelos durchführen und so den Druck mit den erforderlichen Eigenschaften in jedem Abschnitt gewährleisten, so das Unternehmen.

Carbon sucht weiter nach Möglichkeiten, das Verfahren zu verbessern. So werden weitere Gittertypen hinzugefügt, einschließlich hexagonal basierter Unit Cells und Hybridzellen sowie weitere Charakterisierungen, die die dynamische Belastung weiter optimieren und für weitere elastomere Materialien verfügbar macht, da die Materialvielfalt von Carbon ständig wächst. Das Unternehmen arbeitet auch daran, bessere und intuitivere Tools für Designer zu entwickeln.