Simulation: Mehr Prozesssicherheit beim Metall-3D-Druck

Mit Hilfe der Topologieoptimierung ist es bei der additiven Fertigung möglich, neue bionische Designs herzustellen. Dazu gehören eine adpative Dichte durch Lattice-Strukturen ähnlich dem menschlichen Knochen, individuelle Bauteile für den medizinischen Einsatz sowie Prototypen und Ersatzteile. › von Gerhard Friederici

Bei der additiven Fertigung ist der schichtweise Aufbau, das Aufschmelzen, Erstarren und Abkühlen ein höchst anspruchsvoller Prozess, der die Eigenschaften des gefertigten Bauteils in hohem Maße bestimmt. Zu den besonderen Herausforderungen zählen die Maßhaltigkeit der Bauteile, die gewünschte Materialstruktur sowie die Prozesssicherheit ohne Abriss von Support-Strukturen und ohne einen so genannten Blade-Crash, bei dem Bauteil und Fertigungskopf zusammenstoßen.

Um die Fertigung und Produktqualität abzusichern, hat Ansys mit Additive Print ein Werkzeug im Portfolio, das sich dediziert an Konstrukteure und Prozessingenieure richtet. Sie können damit in einer web-basierten Oberfläche den Fertigungsprozess für den Metall-3D-Druck simulieren und optimieren.

Dafür wird die STL-Geometrie des Bauteils eingeladen und durch automatisch generierte Supportstrukturen ergänzt. Auf Wunsch lassen sich auch manuell definierte Supportstrukturen integrieren. Die Bauteilgeometrie wird automatisch gerastert und in Form von Voxeln abgebildet, wobei der Anwender die Voxelgröße anhand der Struktur festlegt. Für die Abbildung von Krümmungen lassen sich automatisch lokale Verfeinerungen nutzen. Die Materialeigenschaften werden aus einer ­Materialdatenbank ausgewählt oder vom Anwender definiert und zugeordnet.

Prognose des Verzugs beim Druckprozess als Grundlage für Geometriekompensation. Bild: Ansys

Verschiedene Ansätze

Die Berechnung erfolgt auf einem der drei folgenden Ansätze:

› Assumed Strain geht von einer gleichmäßigen Dehnung aus und ermittelt auf Basis der Bauteilgeometrie den zu erwartenden Verzug. Die Dehnung wird dabei über eine Kalibrierung anhand eines Referenzdruck ermittelt, der die Maschinen- und Materialeigenschaften charakterisiert.

› Scan Pattern berücksichtigt den Einfluss der Belichtungsstrategie und leitet daraus eine richtungsabhängige Dehnung für jede Lage ab. Dazu werden die Scan Pattern per Build Files für ausgewählte Maschinenhersteller direkt eingelesen oder per Scan Pattern Generator als Teil von Additive Print erzeugt.

› Thermal Strain führt eine thermisch- mechanische Analyse durch, bei der die thermische Analyse mit einer Auflösung von bis zu 15 µm die thermische Historie und damit die kumulierte zyklische thermische Dehnung (thermal ratcheting) mit hoher Realitätstreue abbilden kann.

Als Ergebnis der Analyse können die Deformationen des Bauteils auf der Bauplatte oder nach dem Ablösen von der Platte ermittelt werden. Darüber hinaus stehen Spannungsergebnisse zur Verfügung, um die Gefahr des Support-Abrisses einschätzen zu können. Zur Minimierung des Bauteilverzugs liefert Additive Print mehrere Möglichkeiten. Alternative Prozessparameter erlauben eine Bewertung, wie sich durch eine andere Prozessführung (Schichtdicke, Laserleistung, Lasergeschwindigkeit, Vorheiztemperatur) der Verzug minimieren lässt.

Optimierte Support-Strukturen zeigen, wie man durch adaptierte Supportstrukturen mittels variablem Abstand oder variabler Dicke den Verzug reduzieren kann.

Die Geometriekompensation liefert STL-Dateien, bei denen der Verzug vorgehalten ist. Dadurch werden die fertigungsbedingten Verformungen berücksichtigt, so dass im Herstellprozess eine möglichst nahe an der Soll-Geometrie liegende Bauteilgeometrie entsteht.

Info: Lattice-Optimierung

Durch den schichtweisen Aufbau während der additiven Fertigung können die oft komplexen Geometrien ohne zusätzlichen Aufwand realisiert und das lastgerechte Bauteil nahe am Optimum kostengünstig gefertigt werden.

Dieser Fertigungsvorteil bietet die Möglichkeit, einen weiteren Freiheitsgrad innerhalb der Bauteilgeometrie systematisch zu nutzen: Ähnlich wie in der Knochenstruktur die Dichte aufgrund der Lastpfade durch eine variable Innenstruktur angepasst ist, lässt sich auch in technischen Produkten mit hohem Anspruch an das Leichtbaupotenzial die Innenstruktur variabel gestalten.

Die Feinstruktur besteht dabei aus einem Fachwerk (Lattice), das in seiner Dimensionierung (Dichte der Knotenpunkte, Stärke der Fachwerkselemente) durch die Lastpfade definiert wird. Auf diese Weise lässt sich die äußere Form von der steifigkeitsgebenden Innenstruktur entkoppeln und nach unterschiedlichen Kritierien gestalten. So kann beispielsweise für Fahrwerkkomponenten im Motorsport die Lattice-Struktur im Inneren nach Steifigkeitsgesichtspunkten dem Lastpfad folgen, während die äußere Form jedoch nach Strömungsaspekten gestaltet wird. Analog kann man beispielsweise in der lebensmittelverarbeitenden Industrie gut zu reinigende Außenformen mit lastgerechten Innenstrukturen kombinieren. Durch das Umhüllen der steifigkeitsgebenden Struktur steigen darüber hinaus die Akzeptanz der oft ungewohnt anmutenden Topologien und der Fälschungsschutz innovativ entwickelter Bauteile.

Produktivität und Qualität in die Balance bringen

Mit dem Release 2019.1 stehen in Additive Suite weitere Funktionen zur Verfügung, um die Maschinenproduktivität zu steigern. Laserleistung und -geschwindigkeit sind zwei dominante Parameter, mit denen die Baugeschwindigkeit positiv beeinflussbar ist, die aber auch Auswirkungen auf die Bauqualität haben. Die Simulation kann helfen, hier ein besseres Setup als die Standard-Maschineneinstellung zu finden, die einen universellen Anwendungsbereich abdecken soll. Eine detaillierte Analyse der Prozessführung ermöglicht die Anpassung dieser Parameter und damit eine optimale Balance von Baugeschwindigkeit und Produktqualität. Dazu können beispielsweise das Schmelzbad, die Porosität, die Wärmeverteilung in den einzelnen Schichten und die Korngröße und -orientierung betrachtet werden. rt ‹

Autor: Gerhard Friederici arbeitet bei CADFEM im Bereich Marketing und PR & Redaktion.