„Eine automatisierte, robuste Prozesskette ist das A und O!“

Simufact

Michael Wohlmuth ist Mitgründer der Simufact Engineering GmbH aus Hamburg, deren Strategic Business Development er heute verantwortet. Im Interview erläutert er die Rolle von Simulation im Additive Manufacturing, deren Mehrwert für Anwender und den Beitrag, den Simulationsdaten zu voll automatisierten AM-Smart Factories leisten können.

Können Sie uns die Simufact Engineering GmbH kurz vorstellen?

Michael Wohlmuth: Wir sind ein auf Simulationssoftware spezialisiertes Softwarehaus mit knapp 100 Mitarbeitern, das Dr. Hendrik Schafstall und ich vor 25 Jahren gegründet haben. Wir sind beide Maschinenbauingenieure und verstehen uns als Fertigungstechniker. Ursprünglich ging es um die Optimierung konventioneller Fertigungsprozesse. Durch Simulation konnten wir immer mehr reale Tests verzichtbar machen. Diese Virtualisierung haben wir für mehr als ein Dutzend Verfahren im Bereich der Massivumformung und später in der Schweißtechnik etabliert – in Kooperation mit Automobilherstellern und weiteren Industriekunden. Nichtlineare Simulation ist ein sehr komplexes Feld, in das Werkzeug- und Maschinenkinematik, Materialeigenschaften und viele weitere Parameter einfließen. Unser Geschäftsmodell ist es, diese Komplexität auf eine Ebene herunter zu brechen, auf der Prozessingenieure und Techniker im Shop-Floor damit arbeiten können, ohne Simulationsspezialisten hinzuziehen. Unser Knowhow in der Simulation von Laserschweißprozessen nutzen wir seit drei Jahren auch in der Additiven Fertigung. Dieser Bereich wächst rasant und trägt bereits ein Drittel zu unserem Umsatz bei. Wichtig ist noch zu erwähnen, dass wir seit fünf Jahren zum US-Softwarehaus MSC Software gehören, das seit jeher unser Partner war. Und MSC wurde vorletztes Jahr von Hexagon, einem großen Player aus dem Bereich Manufacturing Intelligence und Messtechnik übernommen. Für uns ist das positiv, weil sich die Kompetenzen in unserem Verbund hervorragend ergänzen. Wir sind nun sehr gut für die Transformation zur Industrie 4.0 und Smart Factory aufgestellt.

Welchen Teil der Prozesskette im Additive Manufacturing (AM) deckt Simufact ab?

Wohlmuth: Unsere Keimzelle ist der eigentliche Bauprozess. Oder genauer: Die Simulation der Prozesse, die physikalisch im Bauraum einer AM-Anlage vor sich gehen. Pulverbettverfahren im Metallbereich waren der Einstieg. Nun bauen wir unser Angebot systematisch in die erweiterte Prozesskette aus. Unsere Simulationslösungen greifen Themen wie das Materialverhalten bei der Wärmebehandlung oder das Verhalten der Bauteile beim Abtrennen von Bodenplatte und Stützstrukturen auf. Mit einem führenden Hochschulinstitut gehen wir obendrein die spanende Nachbearbeitung an. Denn für nachgeschaltete Strukturanalysen müssen perspektivisch die exakten Eigenschaften des bereits nachbearbeiteten Bauteils einbezogen werden.

Welche konkreten Mehrwerte liegen in der Simulation von AM-Prozessen?

Wohlmuth: Für Anwender lauern in allen Prozessphasen böse Überraschungen. Ein Beispiel ist der Bauteilverzug. Dieser ist teils so stark, dass beim Ausstreichen des Pulverbetts der Rakel am überstehenden Bauteil hängen bleibt und der Bauprozess abbricht. Unsere Simulationstools machen den Verzug und die Eigenspannung der Bauteile exakt vorhersehbar. Dadurch können Anwender ihre Fertigungsstrategie gezielt anpassen. Indem sie den Energieeintrag modifizieren oder den Verzug in der Konstruktion einplanen: Da es ein werkzeugloses Verfahren ist, können Anwender ein Bauteil bewusst „falsch“ konstruieren, sodass es sich im Bauprozess oder in der Abkühlphase auf das exakte Sollmaß verzieht. Das funktioniert nur, wenn die Simulation präzise Verzugswerte liefert. Mithilfe unserer Software reduzieren Anwender Abweichungen, die teils im Millimeterbereich liegen, auf wenige Zehntel. Bauprozesse werden robuster. Und je näher das Bauteil der geplanten Endkontur kommt, desto weniger Zeit und Werkzeugkosten beansprucht die Nachbearbeitung. Noch berichten uns Anwender, dass ihre Kostenkalkulationen bei AM-Projekten häufig aus dem Ruder laufen. Denn die Prozesse sind nicht ausreichend robust und planbar. Hier hilft die Simulation. Ihr Potenzial reicht aber noch weiter. Mit MSC machen wir die Simulationsdaten für Standardstrukturanalysen nutzbar, also für virtuelle Belastungsanalysen des künftigen Bauteils. Das spart mehrere Iterationsschleifen. Und Anwender wissen schon in der Designphase, was das Bauteil leisten wird oder wie weit sie beispielsweise den bionischen Leichtbau treiben können. Für diesen Part haben wir jüngst das Start-up AMendate erworben, das auf Topologie-Optimierungen spezialisiert ist. Letztlich macht Simulation Prozessketten transparent – und führt uns zu digitalen Zwillingen; in diesem Fall zum Digital Production Twin. Voraussetzung ist Teamwork: Simulation, Messtechnik, Fertigungstechnik und Konstruktion müssen kooperieren, um die angesprochenen Mehrwerte und Potenziale zu heben.

Für welche AM-Verfahren sind Ihre Simulationswerkzeuge verfügbar?

Wohlmuth: Neben den klassischen Pulverbettverfahren mit Laser- und Elektronenstrahl im Metallbereich greifen wir weitere AM-Verfahren auf. So werden wir auf der formnext eine neue Simulationslösung für Laserauftragschweißverfahren vorstellen und damit in den Direct Energy Deposition (DED) Markt eintreten. Die industrielle Nutzung von DED-Verfahren nimmt aktuell Fahrt auf. Die hohen Aufbauraten und die Möglichkeit, unabhängig von einem Bauraum auch Großkomponenten additiv zu fertigen, sind attraktiv. Doch es bedarf noch einiger Anstrengung, um die Verfahren auf industrielles Niveau zu heben. Unsere Simulationslösung leistet dazu einen Beitrag. Daneben entwickeln wir Simulationssoftware für das Binder Jetting. Das passiert noch im Labormaßstab, aber wir werden bereit sein, wenn der Markt anspringt. Treiber dafür sind Kunden aus der Automobilindustrie, die sich wegen der hohen Aufbauraten und der damit erzielbaren niedrigeren Kosten für das Binder Jetting interessieren. Es geht nun, wie bei allen additiven Verfahren darum, den guten Ansatz in robuste industrielle Prozesse zu überführen.

Dazu gehört die Automation. Welchen Beitrag kann Simulation dazu leisten?

Wohlmuth: Unter anderem haben wir es in Kooperation mit Materialise und verschiedenen AM-Anlagenbauern erreicht, dass sich Simulationsergebnisse direkt in Build-Files wandeln und drucken lassen. Das ist ein Beitrag zur Automatisierung einer durchgängigen Daten-Kette. Für die Automation der Fertigungsprozesse sehen wir uns eher als Unterstützer. Maschinenbauer arbeiten intensiv an entsprechenden Lösungen im Post-Processing, wo bisher ein Bottleneck besteht. Wir können mit unseren Tools im Prinzip für jedes Prozessstadium exakte Bauteilwerte ermitteln; das kann für Automatisierer interessant sein und geht in Richtung Digital Production Twin. Zudem hilft Simulation, den Aufwand der Nachbearbeitung insgesamt zu senken. Etwa, indem Konstrukteure mit Blick auf den Verzug weniger Materialpuffer einplanen oder wenn sie die Stützstrukturen minimieren. Obendrein hilft Simulation, eine zwingende Voraussetzung für jede Automation zu erfüllen: Robuste, unterbrechungsfreie Prozesse.

Wie stellen Sie sich die typische AM-Prozesskette im Jahr 2030 vor?

Wohlmuth: Angesichts der Entwicklungsdynamik hat das etwas von Glaskugellesen, doch ich will es versuchen: Wenn ich mir die Entwicklung konventioneller Fertigungsprozesse vor Augen führe, sehe ich Automatisierung auf höchstem Niveau, den breiten Einsatz virtueller Methoden und eine rasante Entwicklung in Richtung Smart Factory. Das erwarte ich auch für das Additive Manufacturing. Ich bin zuversichtlich, dass die Prozessketten 2030 auf ähnlichem Niveau sein werden. Denn hoch automatisierte, stimmige und wirklich robuste AM-Prozessketten sind das A und O. Industrielle Anwender warten darauf!

Abschlussfrage: Mit welchen Zielen haben Sie sich der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA angeschlossen?

Wohlmuth: Wir möchten unseren Beitrag zur Automatisierung und zur Industrialisierung dieser Technologie leisten. Simufact hat sich nie als virtuelle Insellösung verstanden, sondern hat stets im Austausch mit industriellen Anwendern, Maschinenbauern und weiteren Akteuren optimale, anwenderfreundliche Lösungen gesucht. Als wir von der VDMA-Arbeitsgemeinschaft und ihrem Arbeitskreis Automatisierung erfahren haben, war uns klar, dass wir da mitmachen müssen! Wir wollen unser Wissen rund um die Virtuelle Fertigung einbringen. Und natürlich ist für uns auch die Möglichkeit zum Netzwerken sehr interessant. In der Arbeitsgemeinschaft treffen wir die relevanten Akteure.