Hohe Bauteilqualität durch 3D-Druck-Simulation in der Additiven Fertigung. Von der Topologieoptimierung bis zur Prozess-Simulation.
Verbesserte AM-Fertigungsprozesse und Designs
Erschließen und evaluieren Sie mit Simulation die vielfältigen Möglichkeiten im AM-Fertigungsverfahren. Identifizieren Sie die kritischen Stellen der Bauteile und vermeiden Sie Fehldrucke durch frühzeitige Anpassungen am Bauteildesign oder beim Druckprozess.
Einführung in den 3D-Druck
In den letzten Jahren ist der 3D-Druck von der Industrie entdeckt worden und zu einem regelrechten Hype geworden. Nicht nur im Automobilbau und in der Luft- und Raumfahrt werden additive Bauteile eingesetzt, auch kleine und mittelständische Firmen setzen immer mehr auf die additive Fertigung. Der Vorteil liegt dabei auf der Hand: Prototypen und auch Serienteile können innerhalb kürzester Zeit – meist innerhalb weniger Tage – gefertigt werden, ohne aufwändige Formen herzustellen. Aber auch das Integrieren vieler Funktionen in ein Bauteil oder das Zusammenfassen ganzer Baugruppen in ein additives Bauteil kann über die gesamte Prozesskette gesehen viel Zeit und Geld sparen.
Der Metall-3D-Druck ist eine Fertigungsmethode, bei der Bauteile hauptsächlich aus Pulver durch Hinzufügen kleinster Schweißbahnen (Hatches) Schicht für Schicht entstehen. Mit dieser Methode können Geometrien realisiert werden, die konventionell nicht oder nur mit hohem Aufwand herstellbar sind.
Simulation für die Additive Fertigung
Ein wichtiger Faktor für eine kosteneffiziente additive Fertigung (Additive Manufacturing) ist der Einsatz von Simulationssoftware. Da Fehldrucke bei teuren Maschinenlaufzeiten schnell kritisch für jedes Budget werden können, ist es sinnvoll, mit Simulationen bereits im Entwicklungsprozess die kritischen Stellen des Bauteils im Druckprozess zu lokalisieren. So lassen sich Fehldrucke durch frühzeitige Anpassungen am Bauteildesign oder beim Druckprozess vermeiden. Ansys bietet mit seinen Simulationstools dem Anwender Unterstützung bei der Optimierung des Design for Additive Manufacturing (DfAM) und sorgt so für reduzierte Entwicklungs- und Produktionskosten.
Topologieoptimierung
Mit der Topologieoptimierung kann die Gestalt eines Bauteils unter Berücksichtigung mechanischer Eigenschaften optimiert werden.
Vorteile
Damit lassen sich beispielsweise leichtere Bauteile bei gleicher Steifigkeit konstruieren. Topologieoptimierte Leichtbauteile finden ihren Einsatz oft in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in anderen Bereichen des Maschinenbaus. Die Ansys Topologieoptimierung bietet schnelle Berechnungen, eine hohe Auswahl an möglichen Randbedingungen sowie Oberflächen, die nur ein Minimum an Nachbearbeitung erfordern.
Wie ist ein topologieoptimiertes Metall-Bauteil zu fertigen?
Für eine gute Bauteilqualität ist es notwendig, in der Datenvorbereitung mehrere Schritte sorgsam durchzuführen. Angefangen bei der optimalen Bauteilposition im 3D-Drucker über das im Metall-3D-Druck erforderliche anbringen von Stützstruktur bis hin zur Simulation des Druckauftrags, um Fehlerquellen wie zu hohe Spannungen, Verzüge oder Beschichterkollisionen zu vermeiden. Erst dann werden die 3D-Daten in ein 2D-Schichtdatenformat exportiert.
- Orientierung
- Stützstrukturen
- Verzug (inkl. Vorverformung)
- Spannungen
- Export in das Schichtdatenformat
Wie ermittle ich die perfekten Prozessparameter für den Metall-3D-Druck?
Perfekt auf additive Materialen abgestimmte Prozessparameter sind der Schlüssel für einen idealen 3D-Druck. Nur die richtige Kombination aus Laserleistung, Lasergeschwindigkeit und Hatch-Abstand garantiert den Erfolg. Mit der Simulationssoftware von Ansys lassen sich aufwändige Untersuchungen mit Testkörpern minimieren. Dazu werden Methoden wie Single Bead, Porosität, thermische Historie und Mikrostrukturvorhersage verwendet, um optimale Parameterkombinationen vorab zu ermitteln.
Anwendungsbeispiele für Entwickler und Dienstleister
Sie sind Produktentwickler oder Dienstleister – hier finden Sie Beispiele aus der praktischen Anwendung von Simulation in der additiven Fertigung.
Der Einsatz der Simulation in der Produktentwicklung erhöht die Produktqualität und reduziert die Entwicklungskosten. Das Unternehmen GKN hat am Bespiel einer Fahrradtretkurbel mit der Topologieoptimierung gestartet, um die für den Kraftfluss optimale Bauteilform zu erhalten. Nachdem die grobe Form gefunden war, konnte das Bauteil in einer optimalen Position im Bauraum angeordnet werden, die einen sicheren und verzugsfreien Druckjob ermöglicht. Das Bauteildesign mit den vielen kleinen Details wurde anschließend durchgeführt. Danach wurde das finale Design für den 3D-Druck vorbereitet, indem die Orientierung final festgelegt und das Bauteil mit Stützstrukturen versehen wurde. Dann erfolgte die Identifizierung der kritischen Bereiche des Druckjobs anhand von Simulationen, um das Bauteildesign gegebenenfalls abzuändern. Als letzter Schritt wurden die 2D-Schichtdaten exportiert, mit der die 3D-Druck-Maschine das Bauteil herstellen kann. Die Simulation unterstützte den Entwicklungsprozess in vielen entscheidenden Schritten, indem zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Designprozess überprüft wurde, so dass der Entwickler frühzeitig nachbessern konnte.
Der 3D-Druck-Dienstleister bekommt von seinen (internen oder externen) Kunden Bauteile als CAD-Geometrien, die er auf den 3D-Druck-Maschinen fertigen soll. Diese Bauteile muss er so gut und schnell wie möglich herstellen, ohne dabei die Bauteilgeometrie zu verändern. Gerade bei ungewohnten Geometrien oder teuren Bauteilen kann ein Fehldruck sehr „ins Geld gehen“. Deshalb ist es sinnvoll, den Fertigungsprozess zu simulieren, nachdem das Bauteil positioniert und gestützt ist. Dadurch lassen sich mögliche Verzüge, hohe Spannungen oder Beschichterkollisionen erkennen, um frühzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen wie eine andere Orientierung, mehr Support oder andere Prozessparameter. Aber auch eine durch die Simulation automatisch vorverformte Geometrie, die im Druckprozess sich in die gewünschte Form verzieht, kann dem Druckdienstleister viel Arbeit ersparen.
Designentwicklung und vibrationsbeständige Auslegung einer mit dem Selektiven-Laserschmelz (SLM) Verfahren hergestellten Fahrradkurbel einschließlich eines Vergleichs mit dem Komponententest.
GKN Powder Metallurgy ist ein weltweiter Hersteller von pulver-metallurgischen Komponenten und Metallpulvern. Der Geschäftsbereich GKN Additive konzentriert sich auf die additiven Fertigungsverfahren Binder Jetting und selektives Laserschmelzen und bietet das gesamte Spektrum von der Pulverherstellung, Prozessentwicklung und Auftragsfertigung bis hin zur Bauteilentwicklung unter Einhaltung der Festigkeitsanforderungen. Bei den hergestellten Komponenten handelt es sich um Prototypen, Kleinserien und Komponenten für den Ersatzteilmarkt. In diesem Anwendungsfall dient eine Fahrradkurbel als Beispiel für ein zyklisch belastetes Bauteil. Die Auslegung und Dimensionierung der Fahrradkurbel wird im Hinblick auf die Herstellung im selektiven Laserschmelzverfahren beschrieben. Die Ermittlung von Materialdaten, die für die Auslegung und Dimensionierung von zyklisch beanspruchten Bauteilen, z.B. nach der FKM-Richtlinie, erforderlich sind, wird ebenfalls erläutert. Der Anwendungsfall endet mit einer Validierung einschließlich Komponententest auf einem servo-hydraulischen Prüfstand.
CADFEM-Seminare und Webinare zum Thema Additive Fertigung
Erlernen Sie in kompakten Seminaren und Webinaren die Herangehensweisen zur Entwicklung eines optimalen „Design for Additive Manufacturing“ (DfAM) unter Berücksichtigung aller Prozessfragen, wie z.B. Bauteilorientierung, Supportstrategie, Fertigungsvorbereitung oder thermischer Verzug.
