Simulation Aided Additive Manufacturing

Transkript

1 Simulation Aided Additive Manufacturing 10. Laser-Anwenderforum Nils Keller

2 Additive Manufacturing Additive Manufacturing 3D Druck-Verfahren als neue Herstellungstechnologien: - Fused Deposition Modeling - Laserschmelzen (LBM, SLM, DLMS,...) - Elektronstrahlschmelzen (EBM) CAD Bauteil Quellen: Fraunhofer ILT, APWorks, Airbus

3 Additive Manufacturing Additive Manufacturing 3D Druck-Verfahren als neue Herstellungstechnologien: - Fused Deposition Modeling - Laserschmelzen (LBM, SLM, DLMS,...) - Elektronstrahlschmelzen (EBM)

4 Laserschmelzen Laserschmelzen - Challenges Unterschiedliche Herausforderungen auf verschiedenen Größenordnungen µm cm Thermisch: Sintereffekte Mechanisch: Endverzug Mechanisch: (Ab)Risse Thermisch: Überhitzung Mechanisch: Prozessverzug

5 Prozess-Thermik 5 Sintereffekte und lokale Überhitzungen Pulver wirkt isolierend (Wärmleitfähigkeit ca. 1/100 des Feststoffs) - Geometriebedingte Wärmeabfuhr - Aufbaurichtung entscheidend - Lokale Überhitzung bei konstanten Scanparametern Raya Mertens et al. 2014, Optimization of Scan Strategies in Selective Laser Melting of Aluminum Parts With Downfacing Areas, Journal of Manufacturing Science and Engineering

6 Prozess-Thermik 6 Sintereffekte und lokale Überhitzungen Lösung: FEM-Simulation zur Vorhersage von Überhitzungen? Vorteile: - Validiertes Verfahren zur Vorhersage des Temperaturfeldes - Berücksichtigung von komplexen Materialeigenschaften möglich Nachteile: 1cm x 1cm x 1cm ~ 500m Schweißnaht

7 Prozess-Thermik 7 Sintereffekte und lokale Überhitzungen Lösung: Topologieanalyse des Bauteils! - Ermittlung der Hauptwärmewege (Topologie) - Berechnung des effektiven Konduktion in jedem Punkt Vorteile: - Analyse unter Bauzeit möglich - Experimentnahe phänomenologische Kalibrierung

8 Prozess-Thermik 8 Sintereffekte und lokale Überhitzungen Nutzung der Berechnungsergebnisse: Lokale Anpassung der Prozessparameter - Einteilung in Regionen - Zerschneiden der Scanvektoren - Zuweisung neuer Scanparameter CAD Quelle: BEGO Medical

9 Prozess-Thermik 9 Sintereffekte und lokale Überhitzungen Einschränkung der Sintereffekte bei gleichbleibender Dichte Adaption

10 Laserschmelzen Laserschmelzen - Challenges Unterschiedliche Herausforderungen auf verschiedenen Größenordnungen µm cm Thermisch: Sintereffekte Mechanisch: Endverzug Mechanisch: (Ab)Risse Thermisch: Überhitzung Mechanisch: Prozessverzug

11 Prozess-Mechanik 11 Risse und Deformation Lösung: FEM-Simulation zur Vorhersage von Spannungen und Dehnungen? Vorteile: - Validiertes Verfahren zur Vorhersage des Temperaturfeldes, Spannungen und Dehnungen - Berücksichtigung von komplexen Materialeigenschaften möglich Nachteile: 1cm x 1cm x 1cm Schichtbelichtung ~ 500m Schweißnaht

12 Prozess-Mechanik 12 Rechenzeiten Schichtbelichtung / Mechanisch Lösung: Vernachlässigung der Prozess-Thermik! nicht möglich Methodik Multi-skalen Ansatz Reduktion auf mechanisches Problem Experimentnahe phänomenologische Kalibrierung 10h Thermo-mechanisch MSC.Marc mechanisch MSC.Marc 1h mechanisch Additive Works Spezialisierter FEM-Solver AM-optimierte Softwarelösung Gezielte Nutzung von Grafikkarten Auslegung für Desktop-PC Hardware CAD Quelle: Airbus

13 Prozess-Mechanik 13 Validierung des Spannungszustands Durch Simulationsergebnis deformierte Oberfläche und gemessene Oberfläche im Vergleich zum Originalmodell: 1 Deformation [mm] Simulierte Geometrieabweichung Gemessene Geometrieabweichung -1

14 Prozess-Mechanik 14 Verzugskompensation durch Vordeformation Nutzung der Berechnungsergebnisse: Invertierung des Verzugs und Projektion auf Originalmodell 1 Simulierte Geometrieabweichung Gemessene Geometrieabweichung Deformation [mm] -1 ca. Faktor 10 geringerer Verzug

15 Prozess-Mechanik 15 Spannungsminimierende Scanstrategie Nutzung der Berechnungsergebnisse: Scanvektoren-Ausrichtung orthogonal zur Hauptspannungsrichtung Reduzierung von Spannungen und plastischer Verformung während des Prozesses Verminderung des Endverzugs Steigerung der Prozessstabilität CAD Import (.STL) Mechanische FEA Rehatching (orientation) Geringerer Verzug Standard Strategie Neue Strategie

16 Prozess-Mechanik 16 Spannungsminimierende Scanstrategie Annahme: - Hohe Resteigenspannungen - Geringere plastische Verformung Messung: - Weniger Risse - Geringerer Verzug Deviation [mm] -1

17 Laserschmelzen Laserschmelzen - Challenges Unterschiedliche Herausforderungen auf verschiedenen Größenordnungen µm cm Thermisch: Sintereffekte Bauteil-Orientierung Mechanisch: Endverzug Mechanisch: (Ab)Risse Thermisch: Überhitzung Mechanisch: Prozessverzug

18 Bauteil-Orientierung 18 Bewertung aller Aufbaurichtungen Zugänglichkeit Bauzeit Stützstellenvolumen Nachbearbeitungsaufwand Verzugstendenzen + Funktionsflächen Bauraum

19 Bauteil-Orientierung 19 Bewertung aller Aufbaurichtungen Analyse von allen möglichen Aufbaurichtung Volle Individualisierung der CAD-Analyse Optimale Orientierung + Bewertung

20 Scanvektor-Ausrichtung + lokale Energieanpassung Prozess-Mechanik 20 Integration in die Prozessvorbereitung CAD Orientierung Supports Slicing Hatching Process CAD Assessment Pre-deformation Process Simulation Das ASAP Prinzip: Assessment Simulation Adaption Process Buildjob Adaption

21 Amphyon The Additive Works GmbH develops and distributes software solution aiming at a first-time-right AM-process by integration of new analysis and simulation tools into the process chain. Driven by requirement and current problems in industrial additive manufacturing, the Software suite Amphyon evolved. + Fast + Application oriented + Innovative + Holistic + Research to industry

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 22 Kontakt Nils Keller Geschäftsführer (CEO) Additive Works GmbH Leher Heerstr. 173B Bremen Büro: University of Bremen Am Fallturm 1, Entrance A, Room Bremen Tel.: +49-(0)