Rapid Prototyping

Aus ESOCAETWIKIPLUS

engl: rapid prototyping          Kategorie: Level 2 Maschinenbau

Inhaltsverzeichnis 1 Begriffe 2 Wie läuft das Rapid Prototyping ab? 3 Welche Probleme können beim Rapid Prototyping bzw. Lasergenerieren auftreten? 4 Durch Simulation vorab können die Probleme vermieden werden 5 Simulation 6 Ziele und Grenzen der Simulation 6.1 Detailmodell 6.2 Globalmodell 7 Beispiele 7.1 Beispiel T-Profil gerade 7.2 Beispiel T-Profil geneigt 7.3 Beispiel Tilde Demonstrator-Bauteil 7.4 Beispiel Turbinenschaufel 7.5 Beispiel Form mit Kühlkanälen (Rapid Tooling) 8 Publikationen

Begriffe

Rapid Prototyping wird hier als Begriff verwendet für das Erstellen von Bauteilen aus Pulver, das in Schichten aufgebaut und jeweils mit einem Laserstrahl verschmolzen wird. Heutzutage wird unter der Bezeichnung "3-D-Drucken" viel über diese Technologie gesprochen. Dafür werden auch Begriffe wie

• generative Fertigung
• schnelle Fertigung
• rapid manufacturing
• rapid tooling
• additive Fertigung (additive manufacturing)

verwendet.

Dieses Methoden können für verschiedene Werkstoffe angewendet werden, z.B. für Metalle, Kunststoffe.

Begriffe wie zum Beispiel

• Lasergenerieren, Lasersintern
• DMLS (Direktes Metall Lasersintern, geschützter Begriff der Firma EOS)
• Lasercusing (geschützter Begriff der Firma Concept Laser)
• selective laser melting (SLM)
• DLF, direct laser forming (www.trumpf.com)
• DMD, direct metal decomposition (www.pomgroup.com)
• EBM, electron beam melting (www.arcam.com)

werden für diejenigen dieser Technologien verwendet, bei denen das Metallpulver durch den Laser (oder Elektronenstrahl) direkt aufgeschmolzen wird. Dadurch ist es möglich, ein Bauteil direkt poren- und rissfrei aufzubauen. In der Praxis werden bis zu 99,9% der Dichte des Ausgangsmaterials und gute Festigkeiten erreicht. Die Schichtdicken betragen meistens 0,01..0,1 mm.

Die Abbildung rechts zeigt ein Bauteil aus Metall, bei dem der Bauprozess zwischendurch abgebrochen wurde. Es sind einige massive Bauteilbereiche zu erkennen. Die gitterförmigen Bereiche sind Support-Strukturen, die vorbereitend als "Fundament" unterhalb von massiven Bereichen aufgebaut werden. Die Support-Strukturen werden nach Fertigstellung des Bauteils entfernt, z.B. durch Erodieren.

Wie läuft das Rapid Prototyping ab?

Das Rapid Prototyping (Lasergenerieren) erfolgt in einer Maschine auf einer Bodenplatte, die meistens etwa maximal 300 x 300 mm groß ist. Diese Bodenplatte kann zwischen seitlichen Begrenzungswänden nach unten abgesenkt werden.

Für jede neue Schicht wird diese Bodenplatte um etwa 0,01..0,05 mm abgesenkt. Mit einem Beschichter (coater, Rakel) wird Metallpulver aufgetragen. Dann werden mit einem Laser bestimmte Bereiche mit einem einprogrammierten Muster belichtet und dabei durch den Laser-„Strich“ das Pulver aufgeschmolzen. Diese Striche werden so zahlreich und dicht benachbart ausgeführt, dass auch komplette Flächen aufgeschmolzen werden können. Nach diesem Belichten wird die Bodenplatte wieder für die nächste Schicht abgesenkt, die Folge beginnt von vorne. Diese Schritte sind prinzipiell in der Abbildung rechts skizziert.

Der Bauprozess kann 3..10 h, bei einem vollbestückten Bauraum durchaus Tage dauern. Für manche Werkstoffe muss der Prozess unter Schutzgas ablaufen. Dann ist der Aufwand bei der Vorbereitung und Durchführung des Prozesses entsprechend höher.

Welche Probleme können beim Rapid Prototyping bzw. Lasergenerieren auftreten?

Während des Prozesses treten hohe Verspannungen innerhalb des Bauteils und zwischen Bauteil und Bodenplatte auf. Wenn dadurch ein Riss entsteht und sich diese Verspannungen durch Verformungen entlasten, kann die Beschichterklinge (Rakel) beim Auftragen der nächsten Pulverschicht blockieren. Die Klinge fährt etwa 0,01..0,05 mm über die Oberfläche der letzten Schicht, so dass bereits Verformungen dieser Größenordnung zum Abbruch des Bauprozesses führen können.

Das Risiko des Abbruches des Prozesses kann durch Probieren (trial-and-error) oder durch Erfahrungen reduziert werden.

Nach dem Ende des Prozesses wird das Bauteil von der Bodenplatte und vom Support getrennt. Die Verformungen, die dabei auftreten, und die verbleibenden Eigenspannungen beeinträchtigen die Nutzbarkeit und Festigkeit des Bauteils im Betrieb.

Die Beeinträchtigung der Nutzbarkeit und Festigkeit des Bauteils kann durch Maßkontrollen und Belastungsversuche untersucht werden.

Durch Simulation vorab können die Probleme vermieden werden

Bei der Optimierung des Prozesses können zum Beispiel

• die Anordnung im Bauraum,
• die Ausführung des Supports,
• eine Vorheizung des Bauraumes

variiert werden.

Wenn die Variationen praktisch getestet werden, sind Betriebskosten und Belegungszeit der Maschine zu kalkulieren. Demgegenüber kann die Simulation einer in 1..10 h durchgeführt werden. In vielen Fällen ist die Simulation wirtschaftlicher.

Mit den Simulationsergebnissen können zusätzlich die Verformungen vorher schon eingeplant und kompensiert werden. Auch mit den berechneten Eigenspannungen können mit den Betriebsbelastungen kombiniert und verbesserte Lebensdauer-Bewertungen getroffen werden.

Simulation

Die Simulation dieser Methoden hat das Ziel,

• den Prozess zu verstehen (experimentelle Untersuchung teilweise schwierig oder unmöglich),
• den Prozess vorherzusagen (Festlegung von Prozessparametern, Prozesssicherheit, Verzug, Rissgefährdung) und
• die Eigenschaften des Produktes vorherzusagen (Verzug, Eigenspannungen).

Die Herausforderungen bei der Simulation sind

• der schichtweise Aufbau (Die Diskretisierung muss zwingend den Schichtaufbau repräsentieren, spätere Schichten müssen inaktiv im Modell vorbereitet und enthalten sein und sukzessive aktiviert werden),
• der Unterschied der massiven Bauteilbereiche gegenüber den netzartig strukturierten Support-Bereichen (der Support stützt Bauteilbereiche, die oberhalb erst später geformt werden),
• die geringen Abmessungen des Ortes des eigentlichen Geschehens (Laser-Spot) und
• die Abmessungen der Schichthöhe (0,01..0,1 mm = 10..100 μm) gegenüber den Bauteilabmessungen (10..300 mm).

Der Datenstrom beinhaltet meistens

• eine Umsetzung aus dem CAD-Bereich in STL-Daten (Bauteilumrisse),
• ein Entwurf des Bauprozesses (das beinhaltet die Entscheidung über die Anordnung und Lage des Bauteils im Bauraum. Support-Strukturen sind zu konstruieren für solche Bauteilbereiche, die flacher als 45° geneigt sind, solche Bereiche können nicht freiliegend auf das Pulverbett gebaut werden, weil sie zu leicht verrutschen würden. Support-Strukturen sind gitterförmige Hilfskonstruktionen, die nach der Fertigstellung des Bauteils entfernt werden.),
• eine Planung der Belichtung je Schicht (das Erzeugen der Umrisse jeder Schicht und die Planung der Belichtung der Schichtfläche wird auch als slicing bezeichnet) und
• die Erzeugung der Maschinen-Steuerungsdaten.

Die Simulation erfolgt im allgemeinen mit transienten Simulationen, wobei das Temperaturfeld und die Strukturmechanik sequentiell nacheinander berechnet werden.

Ziele und Grenzen der Simulation

Für eine umfassende Simulation der Fertigung eines Bauteils mit der detaillierten Abbildung des Laserspots (der Prozesszone), der einzelnen Schichten und aber auch des gesamten Bauteils wäre ein FEM-Modell von 100 Mio bis 1000 Mio oder mehr Freiheitsgraden und 1 Mio Zeitschritten erforderlich. Eine solche Aufgabenstellung ist heutzutage nicht in einer Zeit lösbar, die im technischen Alltag akzeptabel wäre. Um in der technischen Praxis akzeptiert zu werden, muss eine Simulation möglichst weniger Zeit erfordern als der Fertigungsprozess selbst, wenige Stunden sind erstrebenswert. Daher sind Kompromisse und die Simulation von Teilaufgaben zu konzipieren.

Detailmodell

Ein mögliches Ziel ist die Simulation der Steuerung des Lasers beim Belichten der Pulverschicht. Hierbei muss das Modell eine Pulverschicht und den bereits darunter erzeugten Modellbereich enthalten. Auf der Schicht werden die Wege des Lasers (hatches) nachvollzogen. Es treten hohe Temperaturen und mechanische Verspannungen entlang der Spur des Lasers auf. Das Aufschmelzen und das Erstarren des Pulvers und eines Teils des darunter liegenden Modellbereiches sind zu simulieren. Dieses Detailmodell kann die lokalen Effekte um die Prozesszone und die Vorgänge für eine oder wenige Schichten abbilden. Dieses Detailmodell kann nicht auf das gesamte Bauteil erweitert werden. Die rechts gezeigte Abbildung (aus T.A.Krol, G.Branner, J.Schilp: "Modelle zur thermomechanischen Simulation metallverarbeitender Strahlschmelzprozesse", CADFEM Users Meeting 2009, Leipzig, 2.11.14) zeigt ein Detailmodell.

Eine solche Simulation mit einem Detailmodell ist für Anlagenhersteller interessant, die die Software für die Steuerung des Laserweges (hatches) konzipieren.

Hinweise hierzu finden Sie auch bei Rapid Prototyping Fallbeispiele. Im Folgenden wird das Detailmodell NICHT weiter verfolgt.

Globalmodell

Ein mögliches Ziel ist die Simulation der Verformungen (Verzug) und Eigenspannungen im erzeugten Bauteil. Hierbei muss das Modell das gesamte Bauteil abbilden. Die Lage des Bauteils im Bauraum der Maschine, der Schichtaufbau und die vorgesehenen Support-Bereiche (Stützbereiche für flache Bauteilzonen) müssen beachtet werden. Bei der Simulation des Temperaturfeldes und der Strukturmechanik muss die Folge der nacheinander erzeugten Schichten mit Materialnichtlinearitäten berücksichtigt werden, wobei mehrere Maschinen-Schichten zusammengefasst werden. Dieses Globalmodell kann die wesentlichen Effekte für das gesamte Bauteil für den gesamten Bauprozess abbilden. Dieses Globalmodell kann nicht die lokalen Effekte um die Prozesszone herum oder die Verteilung in einer Schicht auflösen.

Eine solche Simulation mit einem Globalmodell ist für Anwender interessant, die für die Fertigung von technischen Bauteilen verantwortlich sind und Verformungen und Eigenspannungen des Bauteils simulieren wollen.

Hinweise hierzu finden Sie auch bei Rapid Prototyping Fallbeispiele.

Die folgenden Beispiele zeigen einige Globalmodelle für Demonstrator-Bauteile und auch für Bauteile aus dem technischen Alltag.

Beispiele

Beispiel T-Profil gerade

In diesem Beispiel wird ein Demonstrator-Bauteil mit den Abmessungen Länge 70 mm, Breite 15 mm, Höhe 12 mm aus Stahl verwendet (siehe auch Rapid Prototyping Fallbeispiele: T.A.Krol, G.Branner, J.Schilp: "Modelle zur thermomechanischen Simulation metallverarbeitender Strahlschmelzprozesse" CADFEM Users Meeting 2009, Leipzig, 2.11.14). Das Bauteil hat einen T-förmigen Querschnitt mit auskragenden Flanschflächen.

In der Abbildung rechts ("T-Profil gerade") ist dieses Bauteil in gerader Anordnung auf einer Bodenplatte gezeigt, wobei unterhalb der Flanschflächen ein Support-Bereich an der unterschiedlichen Graustufung erkennbar ist. Dieses Demonstrator-Bauteil ist durch die flachen Flansche besonders anfällig für Verformungen, die durch den Bauprozess entstehen. Das Simulations-Ergebnis bestätigt die Erfahrungen und Messwerte. Hier ist zunächst eine aufrechte gerade Anordnung im Bauraum vorgesehen. Dabei werden die Flanschflächen durch einen Blocksupport gestützt, also durch eine gitterförmige Anordnung von senkrechten dünnen Stegen.

In dem mittleren Teilbild ("Temperaturen während des Bauprozesses") sind die Temperaturen während des Bauprozesses gezeigt. Man sieht den zentralen massiven Bauteilsteg und seitlich daneben das Gitter des Blocksupports zum Zeitpunkt der Belichtung einer Schicht. Die Simulation des Temperaturfeldes berechnet die zeitliche und örtliche Verteilung der Temperaturen bei dem Aufbau der Schichten.

Die nachfolgende Simulation des mechanischen Verhaltens baut auf die berechneten Temperaturverteilungen auf. Aus den aktuellen Temperaturen ergeben sich Dehnungen, die innerhalb des Bauteils zu Verformungen und inneren Verspannungen führen. Der hierfür maßgebende Materialwert ist der Wärmeausdehnungskoeffizient. Bei dem hier auftretenden Temperaturintervall zwischen Raumtemperatur und aufgeschmolzenem Material wird dessen Temperaturabhängigkeit berücksichtigt. Bei Stählen mit Gefügeumwandlung wird zusätzlich die Unterkühlung bei der Rückumwandlung in Form des Dilatogramms erfasst. Auch andere mechanisch-technologische Materialeigenschaften wie Elastizitätsmodul und Spannungs-Dehnung-Funktion werden ebenso als Funktion der Temperatur zugrunde gelegt. Für das fertige Bauteil wird in der Simulation durchgehend für das gesamte Modell die Abkühlung auf Raumtemperatur angenommen. Das Abtrennen des Bauteils vom Support und von der Bodenplatte erfolgt im allgemeinen durch Erodieren. In der Simulation wird dies durch ein Entfernen der Elemente von Support und Bodenplatte abgebildet. In dem Teilbild rechts ("Verformung nach dem Erodieren") ist die Verformung für diesen Zustand dargestellt. Die Spannungen, die sich während des Bauprozesses aufgebaut haben, ergeben nun eine Aufbiegung der Flansche.

Was kann nun getan werden, um ein Bauteil mit einer geraden Flanschfläche zu erhalten?

Bei der Konstruktion des Bauteils kann die Verformung kompensiert werden und durch eine entsprechende Vorverformung vorgehalten werden. Oder das Bauteil kann auf der Bauplattform anders angeordnet werden.

Beispiel T-Profil geneigt

Zum Vergleich mit dem ersten Beispiel "T-Profil gerade" wird hier das gleiche Demonstrator-Bauteil mit den Abmessungen Länge 70 mm, Breite 15 mm, Höhe 12 mm aus Stahl zugrunde gelegt. Dabei wird nun die Anordnung im Bauraum geändert. Das Bauteil wird nicht gerade auf die Bodenplatte positioniert, sondern um 70° geneigt. Durch diese Neigung wird der Support unterhalb der Seitenflanke des Bauteils vorgesehen. Die Abbildung rechts ("T-Profil geneigt") zeigt dieses Bauteil nach der Fertigung auf der Bodenplatte. Durch die Neigung gegenüber der Bodenplatte ist eine geringere Aufbiegung der Flansche, aber eine Schrägstellung in der Ebene zu erwarten.

Das Teilbild in der Mitte ("Temperaturen während des Bauprozesses") zeigt die Verteilung der Temperaturen zum Zeitpunkt der Belichtung einer Schicht. Während im Stegbereich bereits das massive Bauteil entsteht, werden im Bereich der Flansche die Gittermuster des Blocksupports aufgebaut.

Die mechanische Simulation verwendet nacheinander die Temperaturverteilungen vom Aufbau der Schichten und dem zwischenzeitlichen Abkühlen und berechnet die daraus entstehenden Dehnungen und Spannungen. Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur wird auch hier abschließend der Zustand nach dem Abtrennen des Bauteils von Support und Bodenplatte berechnet. Das rechte Teilbild der Abbildung ("Verformung nach dem Erodieren") zeigt für diesen Zustand die Verformungen des Bauteils. Im Vergleich mit dem ersten Beispiel bestätigt sich, dass durch die Neigung eine geringere Aufbiegung der Flansche und eine Schrägstellung in der Ebene auftritt.

Hier hat also die Simulation zeigen können, welche Auswirkungen von einer Variation des Neigungswinkels im Bauraum zu erwarten sind. Entsprechend können natürlich auch andere Winkel oder gedrehte Anordnungen untersucht werden. Zusätzlich kann die Ausführung der Support-Struktur geändert werden (siehe dazu auch Rapid Prototyping Fallbeispiele: T.A.Krol, M.F.Zäh, J.Schilp, C.Seidel: "Computational-Efficient Design of Support Structures and Material Modeling for Metal-Based Additive Manufacturing" CADFEM Users Meeting 2011, Stuttgart, 2.2.12). Und wenn die Anlage dies erlaubt, kann auch eine Vorheizung des Bauraumes zugrunde gelegt werden.

Durch die Ergebnisse der Simulationen kann am Bildschirm untersucht und entschieden werden, welche Variante erfolgversprechend ist.

Beispiel Tilde Demonstrator-Bauteil

In diesem Beispiel wird ein Demonstrator-Bauteil vorgestellt, das eine gewellte Querschnittsform wie ein Tilde-Zeichen hat. Die Abbildung rechts ("Tilde Demonstrator-Bauteil") zeigt dieses Bauteil nach dem Abtrennen von den Supports. Dieses gewellte Profil wird an einer Seite (im linken Teilbild am linken Ende) durch einen Stützblock gehalten und jeweils an den tiefsten Positionen durch rechteckige Blocksupport-Bereiche gestützt. Durch diesen Querschnitt zeigt das Bauteil besonders deutliche Verformungen nach dem Erodieren. Es erleichtert dadurch eine Auswertung der Verformungen und den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen.

Im mittleren Teilbild ("Temperaturen während des Bauprozesses") sind die Temperaturen während des Bauprozesses zum Zeitpunkt der Belichtung einer Schicht dargestellt. Links wird der Stützblock des Bauteils aufgebaut, während die anderen Rechtecke das Gittermuster der Blocksupports erkennen lassen.

Das rechte Teilbild ("Verformung nach dem Erodieren") zeigt die Verformung nach dem Erodieren als Ergebnis der mechanischen Simulation. Der Vergleich mit den experimentell bestimmten und links dargestellten Verformungen ist zufriedenstellend.

Beispiel Turbinenschaufel

Turbinenschaufeln im Hochtemperatur- und Hochdruckbereich werden teilweise bereits durch Lasergenerieren gefertigt, weil damit komplexe Formen und auch innere Kühlkanäle ausgeführt werden können. Die Anordnung und der Verlauf der Kühlkanäle ist oftmals nicht durch spanende Fertigungsverfahren herstellbar. Sehen Sie hierzu auch F.Bayerlein; C.Zeller; M.F.Zäh; J.Weirather; M.Wunderer; C.Seidel: "Improving cost effectiveness in additive manufacturing - Increasing dimensional accuracy in laser beam melting by means of a Simulation-supported process chain", CADFEM Users Meeting 2015, Bremen, 2.02.12

Hier ist als Beispiel die Fertigung einer Turbinenschaufel simuliert, wobei der Schwerpunkt hier das mechanische Verhalten der dünnwandigen Schaufel gegenüber den massiven Endblöcken ist. Welche Besonderheiten treten beim Lasergenerieren einer solchen Schaufelstruktur auf? Die Abbildung rechts zeigt im linken Teilbild ("Turbinenschaufel Bauteil") das verwendete Modell. Die Endblöcke stellen hier relativ steife Strukturen dar, zwischen denen die dünne nachgiebige Schale eingezwängt ist. Bei den thermischen Dehnungen, die während des Prozesses auftreten, sind durch diese unterschiedlich steifen Bereiche des Bauteils intensive mechanische Interaktionen zu erwarten. Als Material wurde Titan 3.7165 Ti6Al/4V eingesetzt.

Der Bauprozess wird wie bei den vorher dargestellten Beispielen zunächst als zeitabhängiges (transientes) Temperaturfeld mit anschließender Berechnung des mechanischen Verhaltens simuliert (Rechenzeit weniger als 0,5h).

Das mittlere Teilbild ("Spannung in Querrichtung am Ende des Bauprozesses") zeigt die mechanischen Spannungen, die am Ende des Bauprozesses bei Abkühlung auf Raumtemperatur vorhanden sind. Dabei ist die Normalspannung in der Schaufelebene parallel zur Bodenplatte dargestellt. Die Verspannung zwischen den steifen Endblöcken und der dünnen Schaufelschale ist ist gut erkennbar. Sie führt während des Prozesses durch die Ausdehnung des Materials zunächst zu einer plastischen Verformung der Schaufel. Nach der Abkühlung wird durch das Zusammenziehen des Materials bei Raumtemperatur dann die Verbiegung der Schaufel umgekehrt.

Im rechten Teilbild ("Verformung nach dem Erodieren") sind die Verformungen nach der Abtrennung von der Bodenplatte dargestellt. Bei dünnwandigen Bauteilen wie in diesem Beispiel bleibt die Verspannung, die während des Prozesses entsteht, nicht als Eigenspannung erhalten, sondern ergibt Verformungen. In diesem Beispiel sieht man dies an der Schrägstellung der steifen Endblöcke.

Beispiel Form mit Kühlkanälen (Rapid Tooling)

Bei Formen für Spritzguss, Druckguss oder für die Blechbearbeitung (Presshärten) ist die Anordnung der Kühlkanäle besonders wichtig, um dadurch die Kühlung zu steuern und die Taktzeiten zu optimieren. Aber die Möglichkeiten, die Kanäle mit spanenden Verfahren aus der Form heraus zu arbeiten und dicht an der Oberfläche entlang zu führen, sind sehr begrenzt. Hier bietet das Lasergenerieren enorme Spielräume und neue Lösungen (auch "schneller Werkzeugbau" oder "Rapid Tooling" genannt). Das Ziel ist eine konturnahe Kühlung mit Kühlkanälen, die optimal verlaufen und die Festigkeit der Form an der Oberfläche nicht unzulässig beeinträchtigen. Die Oberfläche der Form ist durch die Bauteile, die damit später produziert werden sollen, vorgegeben.

Bei der Umformung durch Presshärten werden die Bleche heiß eingelegt und bei der Abkühlung um die Form herum gebogen. Daraus ergeben sich zusätzlich zu den Temperaturen auch noch hohe mechanische Lasten an der Formoberfläche. Um diesen Lasten standhalten zu können, ist eine hohe mechanische Festigkeit der Form erforderlich, also möglichst viel Material. Dagegen erfordert die gute und direkte Kühlung und Wärmeabfuhr große Kühlkanäle dicht an der Oberfläche. Folglich sollte möglichst wenig Material der Kühlströmung "im Weg sein". Diese gegensätzlichen Auslegungsziele müssen berücksichtigt und gegeneinander abgewogen werden.

Als Beispiel dient hier eine Form, bei der der Kühlstrom zunächst durch einen Kanal einläuft und dann innerhalb der Form in zwei Stränge aufgeteilt wird, die konturnah durch die Form geführt und gesammelt ausgeleitet werden. Dies ist in dem Teilbild links oben ("Form mit Kühlkanälen") gezeigt. Vor dem Austritt der Kühlung wird die Strömung wieder in einem Kanal zusammengeführt. Für die Herstellung der Form durch Lasergenerieren wird die Form im Bauraum senkrecht angeordnet, also um 90° gedreht positioniert. Dies ist im Teilbild rechts oben ("Anordnung im Bauraum") dargestellt. Die Temperaturen während des Bauprozesses sind in dem Teilbild links unten ("Temperaturen während des Bauprozesses") dargestellt, wobei hier die Form bis auf die Höhe des ersten Kanalzweiges bereits gefertigt wurde. Gezeigt ist der Moment der Belichtung einer neuen Schicht. Die Simulation des Temperaturfeldes ergibt die Temperaturverteilungen für verschiedene Zeitpunkte während der Beschichtung, des Belichtens und des Temperaturausgleiches und der Wiederholung dieser Abfolge.

Bei der anschließenden Simulation der mechanischen Eigenschaften werden die Verformungen, Dehnungen und Spannungen berechnet (Rechenzeit weniger als 4 h). Durch die hohen thermischen Dehnungen und die Plastizität des Materials treten während des Prozesses hohe Spannungen auf. Auch nach der Abkühlung auf Raumtemperatur bleibt ein Eigenspannungszustand erhalten. Erfahrungsgemäß ist durch den Prozess bei einem massiven Bauteil wie dieser Form mit hohen Spannungen zu rechnen. Für das hier betrachtete Beispiel zeigt das Teilbild rechts unten ("Spannungen nach dem Erodieren") eine Verteilung der Eigenspannungen nach der Abkühlung auf Raumtemperatur und nach dem Abtrennen der Form von der Bodenplatte. Dabei wurde in der gestrichelt skizzierten Ebene auf Höhe der oberflächennahen Kühlkanäle ein Schnitt durch die Form gelegt. Das Teilbild ganz rechts zeigt die Verteilung der ersten Hauptspannung. Neben den Spannungen im Formblock oben sind hohe Spannungen in den Kühlkanälen berechnet worden. Dieser Eigenspannungsverteilung, die sich aus dem Lasergenerieren ergibt, kommt eine besondere Bedeutung zu, wenn später im Betrieb bei der Blechumformung (zum Beispiel beim Presshärten) zusätzliche Spannungen auftreten. Durch die Eigenspannungen steigt das Risiko, dass beim Betrieb der Form Risse entstehen und die Form versagt.

Der Vorteil der Simulation besteht darin, dass nicht nur der Fertigungsprozess, sondern anschließend auch zusätzlich die Betriebslasten untersucht werden können und so insgesamt die Konstruktion der Form und die Auslegung der Kühlkanäle optimiert werden kann.

Nach der Bewertung der Ergebnisse dieser Simulation kann zum Beispiel die Positionierung des Bauteils im Bauraum variiert werden. Als eine Ursache für die hohen Spannungen in den Kühlkanälen kann die Anordnung der Kanäle horizontal, in der Ebene liegend und damit quer zur Baurichtung (nach oben) angesehen werden. In der rechts gezeigten Abbildung ist das Bauteil gezeigt. Im Teilbild links ist die bisher betrachtete 90°-Anordnung gezeigt. Die Kühlkanäle (rot gestrichelt) verlaufen parallel zu der Schichtebene (eine der Ebenen ist schwarz angedeutet). Im mittleren Teilbild 90°-90° ist das Bauteil nochmal um 90° gedreht angeordnet. Damit stehen die Kühlkanäle (rot) senkrecht zu den Schichten. Andere Positionen wie zum Beispiel die mit 90°-60° gezeigte Variante im Teilbild rechts sind ebenso denkbar. Wenn bei diesen Varianten keine zusätzlichen Support-Konstruktionen erforderlich sind, dann bleibt bei der Ausführung des Bauprozesses in der SLM-Maschine bei diesen Varianten der Aufwand nahezu gleich. Mit der Simulation kann untersucht werden, welche der Varianten günstig in Hinsicht auf die Eigenspannungen ist.

Was ist das Wesentliche hierbei?

• Mit der Simulation ist es möglich, Varianten zu untersuchen, ohne dass die SLM-Maschine blockiert wird.
• Die Simulation ermöglicht die Auswertung von Größen (wie Eigenspannungen innen), die experimentell unmöglich festgestellt werden können.
• Abzuwägen sind
  • der Nutzen durch die Erkenntnisse über das Bauteil und seine Eigenspannungen nach dem Bauprozess und
  • der Aufwand der Simulation.

Publikationen

Publikationen zur Simulation rund um das Rapid Prototyping finden Sie bei Rapid Prototyping Fallbeispiele.