3D-Druck: Geschmolzenes Metall exakt simuliert

Beim 3D-Druck von Metallen wird Metallpulver mit einem Laser aufgeschmolzen. Dabei können sich einzelne Bereiche des entstehenden Teils verformen, weil sie zu heiß werden. Siemens-Forscher simulieren nun die Erwärmung, verhindern so die Verformung und leisten damit einen wichtigen Beitrag zur Industrialisierung des 3D-Drucks. Einen Demonstrator für das Software-Modul ‚AM Path Optimizer‘ gibt es schon.

Omar Fergani, Direktor für strategisches Geschäft bei Digital Industries, erklärt: „Wir sind hier schon sehr weit. Unser Ziel ist die richtige Fertigung eines Bauteils beim ersten Versuch. Bisher können noch lokale Überhitzungen den Druckprozess oder die Form des Bauteils beeinträchtigen. Daher ist der Ansatz von Katharina Eissing und dem Team um Daniel Reznik wichtig, mit dem sich Probleme durch Überhitzungen verhindern lassen. Damit kommen wir einen Schritt weiter bei der Entwicklung eines neuen Moduls für 3D-Druck für die Software von Digital Industries – dem sogenannten AM Path Optimizer (AM = Additive Manufacturing).“

Macht Probleme: Überhitzung im Druck-Prozess

Reznik und Eissing arbeiten bei Corporate Technology an Prozesssimulationen für die additive Fertigung. „Wir beschäftigen uns mit Überhitzungen bei der pulverbasierten additiven Fertigung, weil diese den Prozess genauso wie das Produkt beeinträchtigen können“, erklärt Reznik. Während der Laser sich auf einprogrammierten Spuren über das Pulver bewegt, schmilzt er ganz gezielt kleine Bereiche auf – es bildet sich eine sogenannte Schmelzperle, also ein Metalltropfen, aus dem sich beim Abkühlen das gewünschte Bauteil aufbaut. Eissing erklärt: „Manchmal fährt der Laserstrahl allerdings direkt neben einem noch nicht ganz abgekühlten Bereich vorbei und es kommt zu Überhitzung. Dann schmilzt eine größere Fläche auf und die Schmelzperle wird nicht nur breiter, sondern auch höher.“ Das Ergebnis ist ein erhöhter Bereich im Bauteil, der mehrere Probleme verursachen kann: Das Bauteil hat nicht die gewünschte Form, eine nachträgliche Beschichtung ist erschwert oder der Druckprozess bricht sogar ab, weil die Klinge, die im Prozess immer wieder eine dünne Schicht Pulver auf das Bauteil schiebt, an der Erhöhung hängen bleibt.

Getrickst: Simulation mit Abkürzung

Fertigungs-Ingenieure möchten deshalb schon vorab wissen, ob das Bauteil mit dem geplanten Prozess korrekt gedruckt werden kann. Daher simuliert das Forscherteam den Prozess und greift zu einem Trick, um den Aufwand im Rahmen zu halten. Eissing erklärt: „Idealerweise würden wir die Wärmeverteilung rund um jeden einzelnen vom Laser belichteten Punkt berechnen. Das würde selbst mit dem leistungsfähigsten Rechner Jahre dauern. Deshalb simulieren wir nur ausgewählte Ausschnitte, die typisch für Material und Prozess sind. Daraus gewinnen wir mit Hilfe von maschinellem Lernen ein thermisches Modell, das wir auf das gesamte Bauteil anwenden können. Sollten wir eine drohende Überhitzung feststellen, korrigieren wir zum Beispiel den Laserpfad. Hier ist die Abwägung zwischen höherer Qualität und zusätzlicher Zeit für den Druckprozess entscheidend.“

Künftiges Produkt: AM Path Optimizer 

Auf Basis dieser Arbeiten erstellt jetzt das Entwicklerteam um Tom van ’t Erve bei Digital Industries ein weiteres Siemens NX-Modul für die additive Fertigung. Van ’t Erve integriert die Simulationen in die bestehende NX Software für die Bauvorbereitung, ermöglicht eine bildliche Darstellung der Überhitzungsmuster und passt die Software für die 3D-Drucker aller relevanten Hersteller an. Van ’t Erve erklärt: „Die Kollegen von Corporate Technology haben die ideale Basis für ein Produkt geliefert, an dem unsere Kunden großes Interesse haben.“ In etwa einem Jahr wird die AM Path Optimizer Software kommerziell erhältlich sein. Aber schon jetzt hat van ‘t Erve Pläne für Erweiterungen. „Wir planen, unseren Kunden eine Datenbank mit Prozessinformationen von vorbereiteten Simulationen für alle üblichen Druck-Materialen anzubieten, ihnen die Möglichkeit zu geben, die Simulationen auf Rechner bei uns auszulagern und sie selber bestimmen zu lassen, ob sie bei der Fertigung den Schwerpunkt eher auf Geschwindigkeit oder Qualität legen wollen. Das wird uns bei der Industrialisierung des 3D-Drucks noch einmal weiter voranbringen.“

2019-11-15

 

 

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