Durch Temperaturunterschiede w?hrend des Aufschmelzprozesses und Zw?ngungen entstehen Spannungen in 3D-Druck-Bauteilen, die zu Verzug f?hren k?nnen. Ein Problem, wenn es um ma?haltige und sicherheitsrelevante Bauteile geht. Durch Simulationstechniken lassen sich nach Merkle & Partner diese Herausforderungen bereits zufriedenstellend l?sen.
Im 3D-Druck wird schichtweise Metallpulver verschmolzen. W?hrend des Laserprozesses im SLM-Verfahren werden Schichten des fl?ssigen Metalls mit bis zu 1.250?C auf bereits stark abgek?hlte Schichten geschmolzen. Diese Konstellation kann zu Spannungen und Zw?ngen innerhalb des Bauteils f?hren und folglich zu Delamination, Rissen oder Verzug – f?r sicherheits- sowie funktionsrelevante Bauteile ernstzunehmende Faktoren.
Gemeinsam mit der Hochschule Aalen forscht das Ingenieurb?ro Merkle & Partner im Rahmen des Projektes ROAD3D (Robuste Auslegung und Dimensionierung sicherheitsrelevanter Bauteile f?r den 3D-Metalldruck) unter anderem an L?sungen, um diese Effekte simulativ abzubilden.
“Ein wichtiger Aspekt ist die Abstimmung der Simulation am entsprechenden 3D-Drucker. Diese Form der Kalibrierung erfolgt anhand des Drucks einer definierten Teststruktur. Der gedruckte Testk?rper wird vermessen, Abweichungen werden analysiert und die jeweiligen Parameter in der Simulation angepasst. Damit erh?lt man eine f?r den spezifischen Drucker adaptierte Simulation. Diese Methode ist technische wie wirtschaftlich notwendig, da aktuell nicht alle Effekte der additiven Fertigung mit vertretbarem Aufwand simulativ abgebildet werden k?nnen. Allerdings muss diese Kalibrierung nur einmal durchgef?hrt werden”, so Dr.-Ing. Maik Brehm, Verantwortlicher f?r das Projekt ROAD3D bei Merkle & Partner.
Sind die Parameter der Simulation einmal kalibriert, k?nnen sehr genaue Vorhersagen hinsichtlich der Temperaturentwicklung und dem damit verbundenen Verzug oder der Rissbildung getroffen werden. Eine Optimierung der Prozessparameter oder eine Anpassung der Geometrie und St?tzstrukturen kann dann zielgerichtet virtuell durchgef?hrt werden. Im Vergleich zum iterativen Verfahren, ?ber mehrere reale 3D-Drucke, ist die Vorgehensweise ?ber die Simulation eine weitaus exaktere und zeitsparendere Methodik.
Dar?ber hinaus sind bereits viele Effekte in der Simulation im zehntel-Millimeter-Bereich abbildbar. So lassen sich Abweichungen vorhersagen und der Verzug kann bereits in der Konstruktion des Bauteils kompensiert werden.
Der 3D-Druck bietet noch ungenutzte M?glichkeiten f?r Bauteile mit integrierten Funktionen, wie beispielsweise K?hl-D?sen im Maschinenbau. ?ber 3D-Druck k?nnen komplexe Str?mungskan?le innerhalb des Bauteils integriert werden. Dies f?hrt zu einer h?heren Effektivit?t, gezielteren Funktion und gesteigerten Energieeffizienz. Genau f?r derartige Entwicklungen birgt der 3D-Druck enormes Potenzial. “Die virtuelle Entwicklung eines 3D-gedruckten Bauteils mittels Simulation ist der T?r?ffner f?r die Entwicklung von Bauteilen, die wir uns heute oftmals noch gar nicht vorstellen k?nnen. Ideen f?r funktionsintegrierte Bauteile scheinen bereits zuhauf in Schreibtisch-Schubladen zu schlummern. Der zeitliche wie finanzielle Aufwand stoppt aktuell noch Innovationen. Dies k?nnte die verst?rkte Nutzung von Simulationstechnologien in der Design- und Fertigungsphase ?ndern”, erg?nzt Brehm.
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