Die additive Fertigung macht´s möglich: Ultimative Gewichtsreduktion, Integration einer Fußgängerschutz-Funktion, verzugsoptimierte werkzeuglose Herstellung mit geringer Nacharbeit für kleine Serien.
Ein Innovationsprojekt der EDAG, voestalpine und Simufact.
Simufact Additive ist eine leistungsstarke und skalierbare Simulationssoftware zur Auslegung und Optimierung von metallbasierten additiven Fertigungsprozessen.
Verformungen & Verzüge erkennen und kompensieren, auch über den gesamten Prozess hinweg inkl. Wärmebehandlung und HIP
Der Verzug aufgrund von thermischen Effekten stellt die größte Herausforderung im Bereich der additiven Fertigung dar. Simufact Additive unterstützt Sie dabei Verformungen und Verzüge des gefertigten Bauteils zu berechnen, kombiniert mit einer leistungsfähigen, automatischen Kompensation, um diese zu verringern.
Simufact Additive hilft Ihnen, virtuell erkannte Verzüge zu kompensieren, und zwar automatisch. Die automatische Verzugskompensation vereinfacht, beschleunigt und verbessert die Verzugskompensation des Bauteils.
Nachdem der Anwender den Toleranzbereich für Abweichungen festgelegt hat, berechnet die Software auf Basis der „Best-Fit-Methode“ die Abweichung zum ursprünglichen Bauteil. Nach ca. drei bis fünf Iterationsschritten erhält der Benutzer eine Geometrie, die die geforderte Abweichung zwischen dem ursprünglichen Bauteil und dem Referenzteil einhält oder gar unterschreitet. Durch die iterative Kompensation wird ein lokales „morphing“ erreicht, das die übliche Über- und Unterkompensation bisheriger Ansätze effektiv unterdrückt.
Diese nützliche und hilfreiche Funktionalität geht einher mit der automatischen Stützstrukturgenerierung.
Während die Software die Verzüge kompensiert, kann der Anwender parallel in der Software an anderen Simulationsmodellen arbeiten.
Eine Simulation über die Prozesskette hinweg zeigt auf, wie sich Eigenspannungen im Druckprozess aufbauen und wie sie sich während der Nachbearbeitung weiterentwickeln.
Simufact Additive hilft so, typische Fertigungsprobleme zu erkennen:
Gegenmaßnahmen lassen sich virtuell erproben: Geänderte Support-Strategien, veränderte Fertigungsparameter wie z. B. Vorheizen der Bauplatte, veränderte Bauteilorientierungen oder angepasste Nesting-Strategien können negativen Effekten entgegenwirken. Bestimmen Sie die richtige Strategie schnell und kostengünstig durch Simulation statt durch teures und zeitaufwändiges „Trial & Error“ in der realen Fertigung.
Zudem lässt sich mit Hilfe der Simulation der Abbau der Eigenspannungen durch eine nachfolgende Wärmebehandlung oder durch heiß-isostatisches Pressen (HIP) vorhersagen. Berücksichtigen Sie auch die Verzüge, die durch den Spannungsabbau beim Abtrennen von der Bauplatte oder beim Entfernen von Stützstrukturen entstehen.
Simufact Additive bietet mehrere Methoden für die automatisierte Stützstrukturgenerierung und deren Optimierung:
Basierend auf den CAD-Daten des Bauteiles erzeugt und optimiert Simufact Additive automatisch Stützstrukturen für den Fertigungsprozess. Ergebnisse der automatisierten Supportoptimierung können genutzt werden, um virtuelle Tests innerhalb der Software basierend auf Simufact-Stützstrukturen durchzuführen.
Simufact Additive bietet die Möglichkeit, Stützstrukturen mithilfe von Materialise-Technologie zu erzeugen. Auf diese Weise können Simufact Additive Anwender realistischere und fertigungs- sowie anwendungsorientierte geometrische Formen erstellen und grundlegende Funktionen zur Anpassung der Strukturen hinsichtlich der Dichte und kritischen Winkelverbindungen zu nutzen. Diese Methode stellt den besten Input für den Bauprozess als auch die Verzugskompensation dar, um möglichst realistische und akkurate Bauprozesssimulationen und Optimierungsergebnisse zu erhalten.
Der Anwender kann die gewonnen Ergebnisse aus der Simulation an externe Softwarelösungen von Drittanbietern, z. B. Materialise Magics, Renishaws QuantAM oder Build-Vorbereitungssoftware anderer 3D-Drucker, übertragen.
Simufact Additive berücksichtigt auch orthotrope Materialeigenschaften. Auf diese Weise gewährt die Software eine deutlich realistischere Darstellung der Stützstruktur-Steifigkeit und Leitfähigkeit der Tragstruktur. Eine gröbere Vernetzung sorgt für zuverlässige Ergebnisse einhergehend mit einer erheblichen Reduzierung der erforderlichen Rechenzeit.
Die größten Herausforderungen im Bauraum beziehen sich auf die
Simufact Additive unterstützt den Anwender bei der Bauteilausrichtung /-orientierung im Bauraum mit der intuitiven Assistenzfunktion.
Anwender können Teile effizient auf der Grundplatte positionieren, und es sind schnell Iterationen zur Optimierung der Bauteilorientierung möglich. In der anwenderfreundlichen Benutzeroberfläche ist die Positionierung des Teils sehr intuitiv.
In der Praxis werden üblicherweise mehrere Geometrien gleichzeitig im Bauraum angeordnet (Nesting) und gedruckt. Bei diesem Prozess kann es passieren, dass sich die Einzelteile dabei gegenseitig über die Bauplatte mechanisch und thermisch beeinflussen. Mit Simufact Additive modelliert der Anwender schnell und einfach den Druckprozess mehrerer Geometrien im Bauraum und erkennt, inwiefern sich die Bauteile gegenseitig beeinflussen.
Mit Simufact Additive vergleichen Sie verschiedene Optionen für die Bauteil-Orientierung und finden auf diese Weise die optimale Druckstrategie.
Der Orientierungsassistent unterstützt den Benutzer beim Modellaufbau. Diese neue Funktion bietet einen beeindruckenden Gesamtüberblick des Einflusses der Bauteilausrichtung, welcher die Beurteilung und Auswahl der Orientierung intuitiver, einfacher und schneller macht.
Der Orientierungsassistent bietet sechs Kriterien, die unterschiedlich gewichtet werden können:
Benutzer bestimmen die beste Bauteilausrichtung, indem sie ein oder mehrere Kriterien auswählen und gewichten, die für ihren Prozess am wichtigsten sind. Der Assistent zeigt die Ergebnisse für die Komponentenausrichtung in Form einer Kugel an. Die farbige Darstellung (grün bis rot) zeigt dem Benutzer, wie gut oder schlecht die Komponentenausrichtung bezüglich der ausgewählten Kriterien ist. Durch Klicken auf die Kugel wird das Teil automatisch in die entsprechende Bauteilausrichtung gedreht. Diese interaktive und intuitive Handhabung ermöglicht dem Benutzer eine schnelle Auswahl und sofortige Visualisierung der besten Bauteilausrichtung. Es ist auch möglich, diese Funktionalität nacheinander auf mehrere Teile anzuwenden.
Immer mehr 3D-Druckerhersteller bieten die Möglichkeit, die Bodenplatte vorzuheizen. Die Plattenvorheizung wird somit immer mehr zum Standard. Insbesondere bei der Verwendung von Titanlegierungen (z. B. Ti6Al4V) kann eine Plattenvorheizung auf bis zu 400 °C oder mehr Eigenspannungen um bis zu 50% reduzieren. (Quelle: Preheating of Selective Laser Melted Ti6Al4V: Microstructure and Mechanical Properties)
In Simufact Additive kann der mechanische und thermische Einfluss der Bauplatte auf die Bauteile untersucht werden, bei Simulationen mit thermischem Anteil ist dies sogar der Standard. Die Bauplattenvorheizung kann dabei entweder indirekt über die Kalibrierung der mechanischen Lasten, der sogenannten inhärenten Dehnungen, erfolgen. Eine genauere Analyse ergibt sich durch thermische oder thermo-mechanische Simulationen. Die Vorheizung kann direkt im Modell berücksichtigt werden und es ergeben sich realistische Temperaturverläufe über die Höhe des Bauraums. So können z. B. die Einflüsse der unterschiedlichen Bauteile im Bauraum, z. B. beim sogenannten „Nesting“, wesentlich besser erfasst werden. Die erhöhten Temperaturen durch die Vorheizung führen zu geringeren Gradienten, langsamerem Abkühlen und damit zu Spannungs- und Verformungsreduktionen. Die Simulation unterstützt dabei, den Einfluss der Bauplattenvorheizung auf die Bauteileigenschaften zu bewerten und zu entscheiden, ob diese sinnvoll ist und bei welcher Temperatur.
Mit Simufact Additive lassen sich folgende Fertigungsprobleme schnell und sicher identifizieren als auch vorhersagen:
Während des additiven Fertigungsprozesses entstehen sowohl in den Werkstücken als auch in der Bodenplatte Verzüge und Eigenspannungen. Letztere können sich auf die Eigenschaften der Stützstrukturen und des Bauteils auswirken. Simufact Additive gibt dem Anwender die Möglichkeit, die Eigenschaften und Einflüsse der Bodenplatte während des Bauprozesses zu bestimmen. Nach der Simulation des Bauprozesses berücksichtigt die Software auch das Lösen („unclamping“) der Bauplatte aus der Maschine. Es kann passieren, dass die Reihenfolge des Lösens der Schrauben einen zusätzlichen Einfluss auf den Verformungs- und Spannungszustand der Bauplatte und ihrer Teile hat. Hier hat der Anwender z. B. die Möglichkeit zu bestimmen, wann die Bodenplatte zu dünn geworden und damit nicht mehr steif genug ist und wann ein Austausch erforderlich ist.
Simufact Additive bietet drei Methoden während der Ergebnisauswertung an, die den Anwender unterstützt spezifische Fertigungsprobleme zu identifizieren. Diese helfen dem Benutzer kritische Bereiche im Bauteil zu bestimmen:
Die zeitliche und örtliche Verfolgung von Ergebnissen einzelner Punkte, der sogenannten Partikel, ermöglicht es dem Benutzer detaillierte lokale Auswertungen zu erstellen.
In vielen Fällen ist nicht nur das Endergebnis interessant, sondern auch wie es sich bis dahin entwickelt hat. Wie verändern sich z. B. Verzüge, Spannungen oder Temperaturen im Fertigungsprozess, in dem immer neue Schichten aufgetragen werden, welche das Gesamtbauteil immer wieder beeinflussen? Ein Verlaufsdiagramm über die Zeit liefert die Antwort dazu.
Die farbliche Darstellung der Oberflächen- und der inneren Ergebnisse mittels Schnitten bietet einen guten Überblick über die Verteilung der Ergebnisse und erleichtert das schnelle Identifizieren kritischer Extremstellen. Einen detaillierteren Einblick in die Abhängigkeit der Ergebnisse von ihrer Position kann man sich mittels sogenannter Pfaddiagramme verschaffen. Dabei kann der Anwender bequem Zwischenergebnisse automatisch interpolieren. Auf diese Weise kann er mit geringem Aufwand die Aussagekraft eines Diagramms verbessern.
Die nach dem 3D-Druck erforderlichen Bearbeitungsschritte wie die spannungsreduzierende Wärmebehandlung, das Abschneiden und das Entfernen von Grundplatte und Stützstrukturen sowie ggf. das heiß-isostatische Pressen können gravierende Auswirkungen auf die Qualität und die Maßhaltigkeit der Bauteile haben.
Diese Prozessschritte muss der Anwender unbedingt während seiner Simulation berücksichtigen.
Simufact Additive ermöglicht Ihnen demnach nicht nur die unmittelbare Optimierung des Bauprozesses. Die Software berücksichtigt auch die nachfolgenden Bearbeitungsschritte wie das Spannungsarmglühen, das Abtrennen von der Grundplatte, das Entfernen der Stützstrukturen sowie HIP. Mit Simufact Additive hat der Anwender die Möglichkeit, den Einfluss der Nachbearbeitungsschritte auf die Bauteile zu untersuchen.
So können Sie mit Simufact Additive Strategien für die Maßhaltigkeit über die gesamte Prozesskette hinweg entwickeln:
Die Bildfolge unten zeigt Ihnen den schrittweisen Abbau der Eigenspannungen in einem Bauteil während der Nachbearbeitung (engl.: manufacturing post processing). Als Ergebnis am Ende der simulierten Prozesskette erhalten Sie eine fast spannungsfreie Halterung. Durch das Simulieren entlang der Prozesskette gelingt Ihnen eine Optimierung des Endergebnisses auf das gewünschte Resultat. Dazu können Sie die Parameter des Druckprozesses, der Wärmebehandlung, des Schneidens und Support-Entfernens und des HIPpens so variieren, dass Sie das Zielergebnis erreichen.
Das Erwärmen und Abkühlen des metallischen Materials beim Schichtaufbau führt zu inneren Spannungen. Diese sollten Sie abbauen, bevor Sie das Bauteil von der Bauplatte entfernen. Andernfalls besteht die Gefahr, dass sich das Teil während des Abtrennvorgangs verzieht oder sogar reißt. Mit Simufact Additive berechnen Sie die Ergebnisse des Entspannungsprozesses für die Wärmebehandlung unter Berücksichtigung der folgenden Kriterien: Der angewandten Temperaturentwicklung, der wärmeabhängigen Materialeigenschaften und - was entscheidend ist - der Kriecheffekte. Diese treten bei erhöhten Temperaturen und inneren Belastungen durch Eigenspannungen auf. Mit Simufact Additive haben Sie die Möglichkeit, den Spannungsabbau über die Zeit detailliert zu simulieren und verbleibende Spannungen im Bauteil nach der Wärmebehandlung zu erkennen. Bekanntlich beeinflussen diese den Spannungs- und Verformungszustand nach dem Abtrennvorgang.
Wenn Ihnen eine schnelle grobe Beurteilung ausreicht, haben Sie die Möglichkeit einen Engineering-Ansatz zu wählen, bei dem die Spannungen einfach auf Null gesetzt werden. Dies reduziert Ihre Gesamtberechnungszeit und liefert Ihnen in den meisten Fällen praktische und nützliche Ergebnisse.
Mit Simufact Additive optimieren Sie Schnittparameter und vergleichen Simulationsergebnisse für verschiedene Schnittstrategien. Die dabei verwendeten Methoden: Wire EDM und Bandsaw machen keinen Unterschied in der Simulation.
Wenn Sie keine Wärmebehandlung durchgeführt haben oder es sind trotz allem noch Restspannungen vorhanden, werden sich diese im Schnittprozess lösen und zu zusätzlichen Verformungen führen. Wir raten Ihnen dazu, die Schnitthistorie während Ihrer Simulation zu berücksichtigen, denn sie hat auf Grund des nicht-linearen Materialverhaltens immer einen Einfluss auf das Bauteil.
Simufact Additive bietet Ihnen zahlreiche Möglichkeiten, das Abtrennen der Bauteile von der Grundplatte zu simulieren sowie auch das partielle Einschneiden von Geometrien zu Kalbrierzwecken. Neben der schnellen Variante, alle Teile in der Simulation simultan zu lösen, können Sie auch vordefinierte Schnitte in x- oder y-Richtung auf der gewünschten Höhe ausgewählen. Sollte das nicht ausreichen, haben Sie mit Simufact Additive die Möglichkeit, beliebige Schnitte bzgl. der Richtung, der Länge und des Höhenverlaufs zu definieren und darauf basierend komplexe Schnittszenarien nachzubilden.
Wenn Sie die Stützstrukturen direkt nach dem Bauvorgang entfernen oder nach der Wärmebehandlung noch Restspannungen im Bauteil vorhanden sind, dann kann sich durch das Entfernen der Stützstrukturen ein neues Spannungs- und Verformungsgleichgewicht ergeben. Dieses ist aufgrund der nicht-linearen Materialeigenschaften immer davon abhängig, in welcher Reihenfolge Sie die Stützstrukturen entfernen; Sie haben die Möglichkeit, diese Varianten in der Simulation zu berücksichtigen.
Beim heiß-isostatischen Pressen (HIP) wird das Bauteil in Schutzgasatmosphäre einem hohem Umgebungsdruck bei gleichzeitig hohen Temperaturen ausgesetzt. Einerseits entspricht dies einer weiteren Wärmebehandlung, andererseits soll der hohe Druck zur Verdichtung von Porositäten führen um so die Festigkeit und Lebensdauer des Bauteils zu erhöhen. Es können aber auch zusätzliche Verzüge auftreten, falls es zu Ungleichgewichten (z. B. bzgl. Temperaturen, Spannungen, Steifigkeiten) im Prozess kommt.
Bei der Simulation des HIP-Prozesses berücksichtigt Simufact Additive wie bei der Wärmebehandlung den zeitliche Temperaturverlauf, die temperaturabhängigen Materialwerte und Kriecheffekte. Zusätzlich gibt die Simulationssoftware den zeitlichen Verlauf des Umgebungsdrucks an. Auf Grund dessen hat der Anwender die Möglichkeit, den Verlauf des Spannnungs- und Verformungszustands des Bauteils zu berechnen. Zusätzlich können Sie die Verdichtung des Bauteils von einer initialen Porosität mit dem „hollow sphere“-Modell simulieren.
Damit Sie die Gesamtkette der additiven Fertigung optimieren können, bieten wir Ihnen die Möglichkeit, verschiedene Varianten durchzuspielen.
Ziel dabei muss sein: Eine effektive, schnelle Optimierung der gesamten Prozesskette
Als Anwender simulieren Sie oft mehrere unterschiedliche Varianten. Mit Simufact Additive optimieren Sie jeden Prozessschritt separat auf der Grundlage der vorhergehenden Ergebnisse. Simufact Additive verkürzt so die Berechnungszeiten der gesamten Simulation.
Simufact Additive vergleicht Simulationsergebnisse
Simufact Additive erlaubt die simulierte Verformung des Bauteils direkt mit der Zielgeometrie oder mit 3D-Messdaten als Referenz zu vergleichen. Hierfür positioniert der Anwender das Simulationsergebnis und das Referenzteil relativ zueinander. Dieser Schritt erfolgt entweder manuell oder automatisch mittels der „Best-Fit-Methode“.
Die visuelle Darstellung der Ergebnisse auf Basis der Flächenabstände, angelehnt an messtechnische Untersuchungen, erlaubt dem Anwender eine schnelle Bewertung vorzunehmen und erfährt unmittelbar, ob die Abweichungen innerhalb der zulässigen Toleranzen liegen.
In Simufact Additive können die Anwender mittels „Best-Fit“-Positionierung Simulationsergebnisse und Referenzgeometrie (z. B. original CAD-Daten, 3D-Messdaten) per Mausklick vergleichen. Bei der Best-Fit-Methode ermittelt die Software automatisch die Position, bei der die Abweichungen am geringsten sind.
Die visuelle Darstellung der Ergebnisse, angelehnt an messtechnische Untersuchungen, erlaubt dem User eine schnelle Bewertung vorzunehmen, ob die Abweichungen innerhalb der zulässigen Toleranzen liegen.
Für diese Funktion hat Simufact die 3DReshaper-Technologie von Hexagon integriert.
Vergleich der berechneten Teile mit dem Zieldesign oder mit 3D-Messdaten als Referenz. Die simulierten Verformungen lassen sich relativ zur Referenzgeometrie betrachten. Die Benutzer vermessen das eigentliche Teil und importieren dieses in Simufact Additive. Diese Funktion ermöglicht den Ingenieuren ihre Ergebnisse zu vergleichen, was einen effizienteren Arbeitsablauf gewährleistet.
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