3D-Metalldruck Schnellerer Erfolg in der additiven Metallfertigung durch Simulationstools

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Indem additive Metallfertigungsprozesse simuliert werden, lassen sich vor allem Verformungen vermeiden, da diese früher virtuell erkannt werden können. Doch wann bietet sich welches Simulationsprinzip am besten an?

Mit der additiven Fertigung können Teile auf eine Weise optimiert werden, wie es mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht möglich ist. Dies betrifft beispielsweise Wärmetauscher, Leichtbauteile sowie medizinische Teile mit Gitterstrukturen oder konturnah gekühlte Spritzgussformen.

Wenn größere Teile per additiver Metallfertigung hergestellt werden, stellen Verformungen durch thermische Belastungen jedoch ein großes Problem dar. Es treten Verformungen durch Schweißen auf, Risse bilden sich und setzen sich fort, oder Teile werden durch den Recoater beschädigt. Das alles sind gut dokumentierte Phänomene und nur eines davon reicht aus, damit ein Bauvorgang fehlschlägt.

Fehler vermeiden durch Simulation

In der Vergangenheit wurden diese Probleme meist durch Prozesse gelöst, bei denen Herstellende die Design- oder Druckstrategie allmählich optimieren, bis das Teil perfekt ist. Dies führt zu sehr kostspieligen und zeitaufwändigen Iterationen, wobei für größere Komponenten leicht Zehntausende von Euro fällig werden.

Durch Simulation des additiven Metallfertigungsprozesses können Herstellende Zeit und Geld sparen, denn Verformungen und Temperaturen lassen sich virtuell identifizieren. Indem potenzielle Prozessfehler vorhergesagt werden, können Herstellende vor dem Drucken die Druckeinrichtung ändern und die Ausrichtung, Stützstrukturen und Verschachtelung anpassen. Im nächsten Schritt können Simulationsergebnisse in den Workflow der Arbeitsvorbereitung einfließen.

Simulation hilft nicht nur dabei, Konstruktionsfehler zu vermeiden, auch sind einige komplexe Teilegeometrien ohne sie möglicherweise nicht einmal herstellbar.

Der Schlüssel zu einer genauen Vorhersage ist die Kombination thermischer und mechanischer Simulationsprinzipien. Und um diese Ergebnisse so schnell wie möglich zu erhalten, muss der oder die Benutzende wissen, wann welche verwenden werden sollten.

Werkzeug- und Formenbau

Funkenerosion mit additiv gefertigten WC-Co-Elektroden

Mechanische Simulation

Formabweichungen und Risse führen zu Fehlern in Teilen und in der Folge zu einem fehlerhaften Bauvorgang. Dieser Ausschuss kann mit Hilfe der Simulation vermieden werden. Um schneller Simulationsergebnisse zu erhalten, geht die hochmoderne mechanische Simulation der additiven Metallfertigung von Folgendem aus: Die Umgebungstemperatur im Bauteil darf nicht ansteigen und das Substrat kann vernachlässigt werden.

Infolgedessen wird ein thermomechanisches Problem auf ein mechanisches Problem reduziert. Hierbei werden inhärente Belastungen als Lasten verwendet, die aus dem Kühltemperaturverlauf oder Experimenten abgeleitet werden können. Jede Schicht kann mit diesen Schritten berechnet werden: Es wird eine Elementschicht zur Geometrie hinzugefügt, die Schicht kontrahiert und schließlich das mechanische Gleichgewicht des neuen Kontinuums berechnet.

Sobald alle Schichten hinzugefügt wurden, kann in Betracht gezogen werden, Träger und Substrat in zusätzlichen Simulationsschritten zu entfernen, indem die Geometrie oder die Randbedingungen geändert werden.

Thermische Simulation

Eine konstant niedrige Temperatur des Substrats und des Bauteils bei der Herstellung aufrechtzuerhalten, wäre positiv, ist aber nicht immer möglich. Aktuelle Maschinen verwenden hohe Leistung oder mehrere Laser, um die Produktivität zu erhöhen. Das wiederum kann zu einer Überhitzung des Substrats führen und Schäden verursachen.

Eine reine thermische Simulation prognostiziert Überhitzung, indem die Teiletemperatur für jeden Schichtschritt simuliert wird. Die Randbedingungen (Wärmeeintrag) können aus den Scanparametern wie Scangeschwindigkeit, Laserleistung, Schraffur-Abstand und so weiter abgeleitet und auf ein makroskopisches Simulationsmodell angewendet werden. Basierend auf den im Zeitverlauf berechneten Temperaturen können verschiedene Strategien abgeleitet werden, um die Temperatur während des Bauvorgangs zu senken.

Simulation

Gamechanger für den Maschinenbau

Vorteile der Simulation

Um die thermische Simulation anzupassen, kann eine Maximaltemperatur eingeführt werden, indem die Wartezeiten für jede Schicht berechnet werden, damit die erforderliche Abkühlung stattfinden kann. Dadurch werden thermische Stabilität und Prozessrandbedingungen erreicht, die mit der Grundannahme für die mechanische Simulation übereinstimmen.

Zusammengenommen helfen mechanische und thermische Simulationen Herstellenden dabei, fehlerhafte Bauvorgänge erheblich zu reduzieren - manchmal sogar vollständig, wenn ein Simulationsmodell gut kalibriert ist. Die Einsparungen durch diesen Ansatz übersteigen schnell die Kosten für das Leasing oder den Erwerb von Simulationssoftwarepaketen.

Additive Fertigung

Ersatzteile: selbst gedruckt, statt lange gewartet

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Industry of Things erschienen.

* Martijn Vanloffelt ist Director der Application Innovation Group bei 3D Systems.

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