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Prozessvorbereitung für das Laserstrahlschmelzen

| Autor/ Redakteur: Jonas Baumeister  / Simone Käfer

Von den CAD-Daten zum fertig gedruckten Bauteil kann der Weg durchaus noch steinig sein. Ein Softwareunternehmen will mit seiner Lösung den Prozess mithilfe von Analyse- und Simulationstools automatisieren und damit das Endergebnis verbessern.

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Das Fraunhofer-IAPT hat es im Rahmes des Profit-Projekts bereits verglichen: Die mit Amphyon optimierte Supportstruktur oben links und eine ohne die Softwarelösung gedruckte, aber gerissene Supportstruktur unten rechts im Bild.
Das Fraunhofer-IAPT hat es im Rahmes des Profit-Projekts bereits verglichen: Die mit Amphyon optimierte Supportstruktur oben links und eine ohne die Softwarelösung gedruckte, aber gerissene Supportstruktur unten rechts im Bild.
(Bild: Fraunhofer IAPT)

Eigenspannungen im Bauteil und daraus resultierende Bauteilverformungen, Abrisse im Prozess, eine mangelhafte Oberflächenqualität oder unzureichende Bauteildichte – damit kämpfen Anwender des Laserstrahlschmelzens. Um diese Probleme zu bewältigen, hat Additive Works eine Reihe von Softwaremodulen entwickelt und sie in seine Softwaresuite Amphyon eingebettet.

Additive Works ging Anfang 2016 als Spin-off aus der Universität Bremen hervor, wo die Unternehmensgründer bereits mehrere Jahre an Simulationsansätzen und Modellen für additive Fertigungsprozesse forschten. Die hierdurch erlangte Expertise und die bestehenden Ansätze für die Entwicklung einer simulationsbasierten Prozessvorbereitungs-Software wurden dabei zum Kern der Unternehmensgründung und überzeugten unter anderem das Expertengremium des Exist-Forschungstransferprogrammes zur finanziellen Förderung der Gründung. Die Mission des stetig wachsenden Teams von Additive Works ist, den industriellen 3D-Druck zu jenem viel beworbenen Einklickprozess zu entwickeln, der er heute noch nicht ist.

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ASAP Stufe 1: Fehlbauten vermeiden, Einstieg vereinfachen

Den konzeptionellen Hintergrund von Amphyon bildet das ASAP-Prinzip, ASAP steht für Assessment, Simulation, Adaption und Prozess. Es zielt auf eine strukturierte und die Prozessphysik berücksichtigende Prozessvorbereitung ab. Das erste „A” im ASAP-Prinzip steht für das CAD-basierte Assessment eines Bauteils. Das Assessment nimmt dem Anwender die Berechnung für die optimale Orientierung der Bauteile in der Baukammer ab, etwa in Hinblick auf Verzugstendenzen, Nachbearbeitungsaufwand, benötigtes Stützvolumen oder Aufbauzeit. Dabei kann der Anwender eine bevorzugte Aufbaurichtung wählen und seine Präferenzen bezüglich einzelner Kriterien in eine individualisierte CAD-Analyse einbeziehen. Als Marktneuheit stellt das Modul „Examiner” den Brückenschlag zwischen Design, Aufwandsschätzung und dem Prozess dar. Es soll nicht nur lange Entwicklungszeiten und Fehlbauten vermeiden, sondern auch neuen und unerfahrenen Anwendern einen schnellen und erfolgreichen Start in die Additive Fertigung ebnen.

ASAP Stufe 2: Optimierte Stützstrukturen und schnelle Simulation

Die zweite Stufe des ASAP-Prinzips widmet sich den Themen Stützstrukturen und Simulation des Prozesses. Das derzeit in einer Betaphase befindliche Support-Modul befähigt den Anwender nicht nur zur Generierung von Stützstrukturen für die Additive Fertigung. Vielmehr wird automatisiert eine optimierte Struktur erzeugt, welche die Perforation der Stützen sowie die Schnittstellen zwischen Stützstruktur und Bauteil simulationsbasiert präzise an die Prozesslasten anpasst und somit hilft, sowohl Prozessvorbereitungszeit als auch Material einzusparen. Außerdem lassen sich die Stützstrukturen und das überschüssige Pulver einfacher entfernen.

Durch den eigens entwickelten, AM-spezifischen und auf die gezielte Nutzung von Grafikkarten ausgelegten Solver zeigt die auf die Stützoptimierung folgende Prozess­simulation eine blitzschnelle Nachbildung von Spannungen und Verzug im Prozess sowie nach dem Lösen des Bauteils von der Bauplattform. Amphyon bietet hierzu das Modul „MPS” (Mechanical Process Simulation), das keinerlei spezialisierte Kenntnisse der Finite-Elemente-Methode voraussetzt. Im Rahmen eines intuitiven Workflows berechnet es innerhalb von Stunden oder sogar Minuten komplexe Bauteile, deren Berechnung mit herkömmlicher Simulationssoftware schwierig bis unmöglich wäre. Im Anschluss an die Prozesssimulation nutzt Amphyon die Ergebnisse zur Kompensation des Bauteilverzugs, indem im Predeformation-Modul automatisch ein vordeformiertes CAD erstellt wird. Das Resultat ist wesentlich weniger Abweichung des fertigen Bauteils von der Sollgeometrie.

ASAP Stufe 3 und 4: Parameteranpassung und „first-time-right“-Aufbauprozess

Auf der dritten Stufe des ASAP-Prinzips erfolgt die Adaption von Prozessparametern. Dabei vertritt Additive Works die Philosophie, nicht einen einzigen Prozessparametersatz für ein Bauteil zu verwenden, sondern vielmehr die Parameter proaktiv an die zu fertigende Geometrie anzupassen. Durch diesen Ansatz sollen sowohl lokale Überhitzungen im Bauteil vermieden als auch prozessinduzierte Spannungen reduziert werden. Die Technik zu den Adaption-Modulen befindet sich bei Additive Works derzeit noch im Entwicklungsstadium, wobei das Software-Start-up insbesondere die Anbindung und Kompatibilität mit den Anlagen möglichst vieler Hersteller anstrebt. Als oberste Stufe des ASAP-Prinzips folgt auf die simulationsbasierte Prozessvorbereitung der „First-Time-right“-Aufbauprozess.

Amphyon ist als Stand-alone-Version kommerziell verfügbar und durch GPU-Parallelisierung auf handelsüblicher Desktop-Hardware lauffähig. Über den Direktbezug von Amphyon hinaus ist die Software über die Altair-Partner-Alliance erwerbbar. Weiterhin stellt der Amphyon-Kernel die Simulationstechnik in der Softwarelösung 3D-Xpert von 3D Systems zur Verfügung.

* Jonas Baumeister ist Mitgründer von Additive Works in 28359 Bremen, Tel. (04 21) 33 10 01 24, baumeister@additive.works, www.additive.works

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