Simulation Kaum Verzug beim metallbasierten 3D-Druck

Bauteilverzug ist mehr als ärgerlich: Besonders beim metallbasierten 3D-Druck ist es auch äußerst kostspielig, wenn das Bauteil erneut gefertigt werden muss. Die Simulation des Druckprozesses kann diesen Verzug berechnen und eine optimierte Geometrie des Bauteils erzeugen.

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• Um die Maßhaltigkeit eines additiv gefertigten Bauteils zu erfüllen, müssen Prozessparameter wie die von Material und Drucker berücksichtigt werden.

• Der Verzug des Bauteils kann vorab in unterschiedlicher Genauigkeit berechnet werden. Diese Simulationen erzeugen eine kompensierte Geometrie, die die Verformungen während des Druckprozesses mit berücksichtigt.

• Diese Prozesssimulation sorgt dafür, dass bei den meisten Bauteilen bereits nach einem Druckvorgang die Sollgeometrie erfüllt ist. Das spart Zeit und Kosten.

Eigentlich klingt die Aufgabe einfach: Der Konstrukteur hat ein Metallbauteil entworfen und möchte es additiv fertigen. Vielleicht hat man einen Lohnfertiger beauftragt, vielleicht besitzt man sogar selbst einen 3D-Drucker. Die Herausforderung bleibt zunächst die gleiche: Das konstruierte Bauteil soll am Ende den Abmessungen entsprechen, die der Konstrukteur vorgegeben hat. Worin liegt also das Problem? Es liegt im Fertigungsprozess. Werden die Druckereigenschaften, das Material, die Laserleistung beziehungsweise der Wärmeeintrag in das Bauteil und viele weitere Faktoren nicht berücksichtigt, wird sich das Bauteil während des Druckes verziehen und das Endprodukt damit nicht die Vorgaben bezüglich Maßhaltigkeit erfüllen.

Angesichts der immer größeren Bedeutung der Additiven Fertigung für die Produktentwicklung, muss der komplette Prozess von der Konstruktion bis zur Fertigung zuverlässige, reproduzierbare und wirtschaftlich produzierbare Bauteile liefern. Das macht den Einsatz von Simulationssoftware unausweichlich.

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Druckprozess muss professionalisiert werden

Der 3D-Druck eröffnet zahlreiche neue Möglichkeiten hinsichtlich Leichtbau und Bauteiloptimierung, was völlig neue Konstruktionen erlaubt. Wie Erke Wang, Geschäftsführer des Softwarehauses Cadfem, erklärt, überblickt man auch heute noch nicht, welche Möglichkeiten der 3D-Druck der Menschheit überhaupt bietet. Gerade der Industrie öffnet sich mit dieser Technologie eine neue Welt der Produktentwicklung, um besser, günstiger und schneller zu sein. Neu ist das Thema 3D-Druck nicht, denn gerade im Prototypenbau setzt heute selbst der Mittelstand häufig 3D-Drucker ein oder nutzt Dienstleister, die Prototypen für ihn additiv fertigen. Die Technik ist bekannt, nun muss lediglich der Prozess von der Produktentwicklung bis hin zur Fertigung darauf abgestimmt und professionalisiert werden.

Cadfem begleitet gerade diese Unternehmen vom Produktdesign bis hin zum Fertigungsprozess und bietet dafür komplette Softwarelösungen an. Beim kunststoffbasierten 3D-Druck kann man auf Erfahrungen beim Spritzguss zurückgreifen, doch für die metallpulverbasierten Verfahren sind neue Prozesse nötig, um zum optimalen Druckergebnis zu kommen. Selbst wenn ein Entwicklungsingenieur oder Konstrukteur mit all seinem Wissen ein Bauteil konstruiert, ist es nach dem Druckprozess schief oder deformiert. Theoretisch lässt sich durch „trial and error“ dieser Fehler nach und nach beheben, doch jeder Druck ist teuer und braucht Zeit. Wie Wang berichtet, benötigt selbst ein Experte oft drei bis vier Druckvorgänge, bis das Ergebnis zufriedenstellend ist – ein Aufwand, der weder für Unternehmen noch für Dienstleister wirtschaftlich tragbar ist. Entsprechende Simulationstools für den Druckprozess können das ändern, sodass bei den meisten Bauteilen nur ein Druckvorgang nötig ist.

Druck optimieren oder Entstehungsprozess begleiten

Cadfem bietet neben Werkzeugen für die Konstruktion additiv gefertigter Bauteile auch Software an, die den Druckprozess simuliert. Je nachdem, wer die Werkzeuge einsetzt, gibt es zwei große Szenarien:

• Der Druckdienstleister erhält eine für den 3D-Druck optimierte Konstruktion, die er fertigen soll – eine Aufgabe, die nach keiner großen Herausforderung klingt. Doch wie schon erwähnt, kann es aufgrund des Druckprozesses zu deutlichem Verzug kommen. Um das zu vermeiden, kann der Dienstleister die Konstruktion für den 3D-Druck vorbereiten. Wie Keno Kruse, Business Development Manager bei Cadfem erklärt, ist hier allerdings der Einfluss begrenzt. Der Prozessingenieur, der den Druck verantwortet, kann unter anderem noch Prozessparameter, Stützgeometrie, Bauteilorientierung, Geometriekompensation und Belichtung festlegen. Für diese Bedürfnisse ist die Ansys-Software Additive Print zugeschnitten.

• In einer idealen Konstellation hingegen arbeiten Entwicklungsingenieure beziehungsweise Konstrukteure mit den Prozessspezialisten gemeinsam am Produkt und können so ihr jeweiliges Wissen austauschen. Das beginnt beim Entwickeln der für den 3D-Druck geeigneten Bauform und der entsprechenden Innenstruktur (beispielsweise einer Lattice-Struktur), geht über die Simulation des Fertigungsprozesses inklusive der Bauraumausnutzung und der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Bauteilen in diesem Bauraum bis hin zu anschließenden Bearbeitungsschritten. Dazu zählt beispielsweise das Trennen der Supportstrukturen und welchen Einfluss die Reihenfolge auf die Deformation des Bauteils haben kann. Diese umfassende Vorgehensweise erfordert neben der Strukturoptimierung auch, das Materialwissen und die Eigenschaften des 3D-Druckers mit einzubeziehen. Wang: „Topologieoptimierung ist wichtig, um eine Bauteilform zu generieren und zu optimieren, aber die Prozesssimulation danach ist genauso wichtig, um dann das Produkt zu erstellen.“ Dafür steht die Additive Suite zur Verfügung.

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.

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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