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Additive Fertigung Methoden zur Beschleunigung von FEM-Simulationen von Directed Energy Deposition

Ein Gastbeitrag von Georg Seitz* 5 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
Franke GmbH
CADFEM Germany GmbH
Urma AG Werkzeugfabrik

FEM-Simulationen halten Einzug in den Ingenieursalltag. In vielen Anwendungen kann die Finite-Element-Methode Zeit und Kosten in der Prototypenfertigung und Entwicklung sparen. Das größte Anwendungshindernis sind jedoch lange Rechenzeiten.

Abbildung 1: FEM-Anwendungsbeispiel: Verzugsberechnung einer widerstandspunktgeschweißten Automobil-B-Säule – Möglichkeit zur Variantenprüfung mit Simulation und Optimierung der Schweißreihenfolge durch Berechnung der Verzugspotenziale einzelner Schweißpunkte. Kosteneinsparung: 60 % (Personal, Material, Nachbearbeitung)(Bild: Fraunhofer IPK)
Abbildung 1: FEM-Anwendungsbeispiel: Verzugsberechnung einer widerstandspunktgeschweißten Automobil-B-Säule – Möglichkeit zur Variantenprüfung mit Simulation und Optimierung der Schweißreihenfolge durch Berechnung der Verzugspotenziale einzelner Schweißpunkte. Kosteneinsparung: 60 % (Personal, Material, Nachbearbeitung)
(Bild: Fraunhofer IPK)

Insbesondere beim metallischen 3D-Druck (zum Beispiel bei Directed Energy Deposition, DED) kann häufig das Potential nicht genutzt werden, da hier die Rechenzeiten oft die eigentlichen Bauzeiten überschreiten. Um diesem Problem beizukommen, gibt es verschiedene Vereinfachungsmethoden für die FEM von 3D-Druck, sowohl kommerziell erhältliche als auch Methoden, die noch Gegenstand der Forschung sind. Im Folgenden soll hierzu ein Einblick gegeben werden.

Von der Schweißtechnik zur additiven Fertigung

Die Anwendung von FEM-Simulation für den 3D-Druck basiert auf den gleichen Prinzipien, wie die Anwendung für die Schweißtechnik. Hier ist die Vorhersage des Verzugs bereits etabliert. Für eine erfolgreiche Simulation muss zunächst der gesamte Schweißprozess digital abgebildet werden. Hierzu gehören sowohl die Bauteilgeometrien, Werkstoffdaten aber auch alle Prozessparameter, wie die eingebrachte Energie, also Schweißstrom, Spannung oder Schweißgeschwindigkeit.

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