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Simulation

Kaum Verzug beim metallbasierten 3D-Druck

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Die Idealvorstellung verbindet also die Anforderungen aus dem Herstellungsprozess mit denen der Konstruktion. Der Konstrukteur entscheidet sich schon früh für die Additive Fertigung und führt dahingehend auch die Topologieoptimierung durch. Gemeinsam mit den Fertigungsexperten entwickeln sie ein „design for (additive) manufacturing“ – also eine Konstruktion, die den spezifischen Fertigungsprozess mit berücksichtigt.

Geometrische Kompensation berücksichtigt Verzug

Ist diese Konstruktion vorhanden, lädt der Anwender das STL-File in die Ansys-Software und kann mit der Optimierung beginnen: In erster Linie werden das Material, die Supportstrukturen und die Geometrie bestimmt; außerdem können Angaben unter anderem zur Laserleistung, zum Druckermodell oder zur Prozessführung gemacht werden. Über die Auflösung (Größe eines Voxels), die sich von der Feinheit des Bauteils ableitet, wird die Geschwindigkeit der Simulation beeinflusst.

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Zur Berechnung stehen folgende Verfahren zur Verfügung:

  • Assumed Strain: Das Modell geht davon aus, dass die durch das Aufschmelzen des Materials initiierte Dehnung gleichmäßig in alle Raumrichtungen stattfindet. Diese Vereinfachung macht den Prozess leichter beschreibbar und liefert deshalb schnell Ergebnisse. Somit eignet sich diese Methode zum einen für massive Bauteile. Zum anderen dient sie auch zur ersten Analyse, ob man mit dem vorhandenen Design auf der ausgewählten Maschine die richtige Wahl getroffen hat .
  • Scan pattern: Durch das Belichtungsmuster ist die Dehnung in die verschiedenen Richtungen unterschiedlich stark ausgeprägt. Um diesen Einfluss in der Berechnung mit zu berücksichtigen, werden die Laserpfade mit einbezogen, die das Belichtungsmuster mitliefern. Die Berücksichtigung der Belichtungsstrategie in der Simulation wirkt sich vor allem bei schlanken Strukturen, die man ohnehin in der additiven Fertigung bevorzugt, spürbar aus.
  • Thermal Strain: Das Druckmaterial erfährt eine zyklische thermische Belastung, denn bei jedem neuen Auftrag wird auch die darunterliegende Schicht erneut aufgeschmolzen. Durch diese kumulierte thermische Dehnung (thermal ratcheting) des Materials, entsteht Verzug, den dieses Verfahren auf der Basis eines FE-Modells berechnet. Mit einer Auflösung von 15 µm werden diese thermischen Effekte und der Verzug im Bauteil simuliert, weshalb diese Analyse etwas mehr Zeit erfordert als vereinfachte Verfahren. Kruse: „Das ist die genaueste Art der Betrachtung und auch eines der Alleinstellungsmerkmale von Additive Print: ein hoher Detailgrad in einer vernünftigen Zeit.“

Über die Funktion der Geometriekompensation liefert Additive Print, basierend auf dem berechneten Verzug, schließlich eine STL-Datei, die die Verformungen berücksichtigt. Diese optimierte Geometrie erzeugt ein Bauteil, das möglichst nahe an der Sollgeometrie liegt – im besten Falle gleich beim ersten Druckvorgang.

Kruse empfiehlt, in den frühen Phasen der Analyse mit weniger hoher Auflösung, also schneller, zu arbeiten. Je präziser dann der Prozess bereits definiert wird, desto mehr steigt die Genauigkeit. „Die Rechenzeit ist dann gut investiert“, weiß er. Angesichts der langen Druckdauer und der hohen Kosten für das Bauteil, die schnell mehrere Tausend Euro betragen, fällt die Dauer der Simulation kaum ins Gewicht. Erfüllt dann das erste gedruckte Bauteil bereits die Sollgeometrie, ist ein Schritt hin zur Professionalisierung des Druckprozesses geleistet.

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Über den Autor

 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt