Rapid Prototyping

Aus ESOCAETWIKIPLUS

Version vom 30. Juli 2015, 12:31 Uhr

engl: rapid prototyping          Kategorie: Level 2 Maschinenbau

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.

Die Begriffe

• Lasergenerieren
• DMLS (Direktes Metall Lasersintern, geschützter Begriff der Firma EOS)
• Lasercusing (geschützter Begriff der Firma Concept Laser)
• selective laser melting (SLM)

werden für diejenigen dieser Technologien verwendet, bei denen das Metallpulver durch den Laser 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.

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, 2.11.14). Das Bauteil hat einen T-förmigen Querschnitt mit auskragenden Flanschflächen.

In der Abbildung rechts 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 der Abbildung 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 der Abbildung 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 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.

Die Abbildung zeigt in der Mitte 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 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, 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 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 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 zeigt die Verformung nach dem Erodieren als Ergebnis der mechanischen Simulation. Der Vergleich mit den experimentell bestimmten und links dargestellten Verformungen ist zufriedenstellend.

Publikationen

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