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Gut zu Wissen

: Cadfem


Schicht für Schicht wird im Laser Powder Bed Fusion-Verfahren (LPBF) ein Metall- oder Kunststoffpulver hauchdünn aufgetragen. Ein Laserstrahl schmilzt die Bereiche des künftigen Bauteils so auf, dass ein Festkörper entsteht. Die Achillesferse von LPBF ist die enorme lokale Energiezufuhr, besonders wenn Metallpulver verwendet wird. Denn der Temperaturunterschied zwischen der gelaserten Stelle und ihrer Umgebung ist so extrem, dass die thermische Ausdehnung Spannungen erzeugt, die ihrerseits unerwünschte Deformationen oder gar Risse im Bauteil auslösen. Die gute Nachricht: Dieses Problem ist beherrschbar, wenn der Prozess vorab am Bildschirm simuliert, verstanden und mit diesem Wissen sozusagen ausgetrickst wird.

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Keno Kruse, Business Development Manager bei Cadfem.

Keno Kruse, Business Development Manager bei Cadfem.

Wie hilft die Prozesssimulation konkret bei der Ermittlung der kritischen Stellen im Bauprozess, wie kann sie Beschichterkollisionen, Bauteildeformationen oder Supportabrisse vorhersagen? Grundlage dafür ist die Abbildung des realen Fertigungsprozesses in einem präzisen digitalen Modell. Dieses erlaubt, an virtuellen Stellschrauben zu drehen und ihn so zu gestalten, dass Deformationen und Rissbildung vermieden werden. Die in unterschiedlichsten Simulationsanwendungen bewährte numerische Finite-Elemente-Methode (FEM) leistet dafür wertvolle Dienste. Um sie anzuwenden muss man kein Mathematiker sein, denn sie kommt in einer intuitiven Softwareumgebung zum Einsatz.

Bei einem typischen Simulationslauf werden Bauteil- und Supportgeometrie in ein FEM-Netz überführt und jedem Element Materialkennwerte zugewiesen, die Effekte wie Temperaturleitung und thermische Dehnung berechenbar machen. Dann wird die erste Schicht simuliert: Es erfolgt ein dem Laser entsprechender Energieeintrag, der die Elemente für eine gewisse Zeit auf Schmelztemperatur bringt, dann kühlen die Elemente wieder ab. Sukzessive wird dies bei den anderen Elementschichten wiederholt. Genau wie beim realen Bauteil dringt die eingebrachte Wärme teilweise in die vorherigen Schichten des Bauteils und des Supports vor und verteilt sich – es entsteht ein ungleichförmiges Temperaturfeld. Nun erfolgt die Simulation des mechanischen Verhaltens, also die Bestimmung der variierenden Dehnungen, der Verschiebungen und der Spannungen aus den lokalen Temperaturdifferenzen.

Im Wechselspiel aus Erwärmen, Abkühlen und Hinzufügen von Material werden somit alle thermischen und mechanischen Zustände erkennbar. Eine Auswertung der Deformationen in Dickenrichtung wird zur Vorhersage von Beschichterkollisionen genutzt, hohe Spannungen zeigen rissgefährdete Geometriebereiche oder den Abriss von Stützstrukturen auf und die unerwünschten
Deformationen können automatisch kompensiert werden. Ergebnis: Durch die daraus ableitbaren konstruktiven Maßnahmen kann noch vor der Fertigung des ersten Prototypen der Druckerfolg sichergestellt werden.



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Bericht in folgenden Kategorien:
Software, Preprocessing, Simulation

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