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Anwendererfahrung Warum ein Simulationstool für die Additive Fertigung?

| Autor: Simone Käfer

Prozesse in der Additiven Fertigung sind vielen Einflüssen ausgesetzt, die das Endergebnis bestimmen. Das macht gute Simulationssoftware wichtig für einen problemloseren Druckjob.

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Nicht jede Struktur ist dafür geeignet, eine Außenseite des Würfels zu zieren.
Nicht jede Struktur ist dafür geeignet, eine Außenseite des Würfels zu zieren.
(Bild: © Simone Käfer)
  • Mit dem Simulationstool sollen bei der Vorbereitung mögliche Druckfehler erkannt und präventiv behandelt werden.
  • Selbst ein erfahrener Jobvorbereiter kann nicht alle Problemstellen im Vorfeld erkennen.
  • 3D Laserdruck hat die Parameterentwicklung für eine Kupferlegierung abgeschlossen.

In der Produktion stehen drei SLM 280 von SLM Solutions. 3D Laserdruck hat sich offensichtlich auf das selektive Laserschmelzen (SLM) spezialisiert. Der junge Auftragsfertiger verarbeitet ein recht breites Spektrum an Metallen. Dazu gehören zwei Aluminiumlegierungen, verschiedene Edelstähle, Inconel, Titan und jüngst auch eine Kupferlegierung. Wie viele Anwender von additiven Verfahren musste man sich auch bei 3D Laserdruck den Eigenheiten und Herausforderungen der neuen Technik stellen.

Nicolas Haydt arbeitet seit einem Jahr hier und war an der Implementierung von Ansys bei 3D Laserdruck beteiligt. Für Ansys haben sie sich wegen des Startup-Angebots des Softwareunternehmens entschieden. Im Startup-Programm sind alle bekannten Tools von Ansys, aber bei 3D Laserdruck verwenden sie nur Additive Print. Das Simulationstool soll beim Konstruieren eines Bauteils helfen, in dem es Spannungen und Verzug für jede Schicht vorherberechnet, die optimalen Stützstrukturen setzt, einer Verzerrung bei der Transformation der CAD-Daten in STL-Dateien entgegenwirkt und einen potential blade crash vorhersagt. Bei einem potential blade crash hebt sich das Bauteil während des Druckjobs und der Beschichter fährt auf.

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„Unser Hauptaugenmerk liegt darauf, die Qualität des Prozesses durch Ansys zu erhöhen und schon in der Vorbereitung mögliche Druckfehler zu erkennen und diese präventiv zu behandeln“, so Haydt. „In der Additiven Fertigung kommt es oft vor, dass man erst, wenn der Baujob gedruckt ist und aus der Maschine kommt, feststellt, dass etwas nicht optimal vorbereitet war.“ Das liege vor allem daran, weil man sehr viel nur aus der eigenen Expertise heraus arbeitet und Wissen erst aufgebaut wird – meist durch eigenes Trail & Error. Ein Beispiel dazu liefert Haydt selbst.

Den Crash vermeiden

Vor einiger Zeit hat er einen Strukturwürfel entworfen, der Kunden zeigen soll, welche Muster sie mit SLM drucken können. Acht unterschiedliche Strukturen werden gezeigt. Doch die Anordnung der Strukturen war falsch gewählt, ein Rand des Würfels hatte sich hoch gebogen und der Druckjob wurde abgebrochen. „Weil ich den Fehler gemacht habe, ein Muster an die Außenseite zu setzen, dessen Strukturen zu wenig an den Randschichten angebunden sind“, erklärt Haydt. „Zwischen den einzelnen Mustern drucken wir eine Deckschicht, in die viel Wärme eingetragen wird. Die muss wieder abgeführt werden. Das geht nur über die Stütz- oder Infill-Strukturen. Weil sie bei meinem ersten Versuch zu wenig angebunden war, hatte sich der Rand hoch gebogen.“ Also hat er beim zweiten Versuch an die Seiten jene Strukturen gesetzt, deren Elemente bis an den Rand reichen. Auf solche Fehler hätte die Software von Ansys ihn aufmerksam gemacht. In der Datei „potential blade crash“ werden jene Bereiche farblich markiert, in denen der Verzug so groß werden wird, dass der Baujob wahrscheinlich abgebrochen wird. „Mit dieser Simulation wäre mein Fehldruck nicht entstanden, weil ich den Würfel gleich besser konstruiert hätte“, so Haydt.

Ergänzendes zum Thema
Materialentwicklung
Die Kupferlegierung von 3D Laserdruck

3D Laserdruck arbeitet an der Parameterentwicklung für eine Kupferlegierung. Das Ziel ist, Bauteile mit einer Dichte von mindestens 99,7 % und Maßhaltigkeiten von ± 0,1 mm bei kleinen und ±0,2 mm bei größeren Bauteilen mit einer Kupferlegierung zu drucken. Außerdem sollten die Bauteile gute mechanische Eigenschaften aufweisen und die Oberflächeneigenschaften sollten sich bei einer Schichtstärke von 30 µm im Rahmen von 20 bis 30 µm bewegen. Wichtige Schritte seien bereits abgeschlossen, berichtet Geschäftsführer Tobias Wenz, aber die komplette Entwicklung werde noch bis Mitte 2020 dauern. Unternehmen, die an einer Entwicklungspartnerschaft interessiert sind, können sich bei 3D Laserdruck melden.

Prozesse in der Additiven Fertigung sind vielen Einflüsse ausgesetzt, die das Endergebnis bestimmen; Maschinenparameter und Materialeigenschaften sind nur die offensichtlichsten. „Jedes Bauteil ist anders und hat deswegen unterschiedliche Auswirkungen auf Verzugserscheinungen und Verformungen“, so die Erfahrung des Maschinenbauingenieurs. „Deswegen kann selbst ein erfahrener Jobvorbereiter manche Punkte einfach nicht im Vorfeld erkennen.“ Umso wichtiger sind funktionierende Simulationstools. „Derzeit nutzen wir Ansys zur Simulation und die komplette Prozessvorbereitung findet in Materialise Magics statt“, erklärt Haydt.

Zwar bietet SLM Solutions mit Additive Designer ein Pendant zu Magics, das künftig auch Simulationen erstellen soll. „Aber es ist noch nicht ausgereift”, sagt Tobias Wenz, Geschäftsführer von 3D Laserdruck. „Ansys Additive Print bietet ein sinnvoll entwickeltes FEM-Simulationstool, dass FEM-Simulationen im gewohnten Ansys-Standard möglich macht, aber noch nicht vollends optimiert wurde.” Additive Print sei noch in den Kinderschuhen, immerhin war das Release erst 2018. Aber mit jedem Update kommen nützliche Funktionen hinzu, bestätigen die Mitarbeiter von 3D Laserdruck. „Da wird schon sehr bei Anwendern nachgefragt, was für eine funktionsgerechte Simulation benötigt wird“, bekräftigt Haydt.

* Weitere Informationen: 3D Laserdruck in 72766 Reutlingen, Tel. (0 7121) 1 47 89-11

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Über den Autor

 Simone Käfer

Simone Käfer

Redakteurin für Additive Fertigung und Werkstoffe, MM MaschinenMarkt