IMProVe - Innovative Materialien, Anlagen und Prozesse durch die Überwindung von Verfahrensgrenzen in der additiven Fertigung

Additive Fertigungsverfahren eröffnen neue Freiheitsgrade im Produktdesign in Bezug auf Formgebung und anwendungsspezifisch optimierte Materialeigenschaften. Allerdings stehen dem industriellen Einsatz additiver Verfahren hemmende Faktoren wie hohe Stückkosten und vergleichsweise lange Fertigungszeiten entgegen. Im Rahmen des Agent-3D Projekts IMProVe hat sich Simufact daher in Zusammenarbeit mit Partnern aus Forschung und Industrie dafür engagiert, bestehende Verfahrensgrenzen zu überwinden und die additive Fertigung für eine breitere Anwendung zu erschließen. Für Simufact lag der Fokus hierbei auf der gezielten Weiterentwicklung der Schweißstrukturanalyse für Verfahren des Typs Direct Energy Deposition (DED), wozu beispielsweise das Laserauftragschweißen mittels Draht oder Pulver zählt.

Für industrielle Großbauteile kombiniert der DED-Prozess maximale Auftragsleistung mit größtmöglicher Designfreiheit. Eine erfolgreiche Prozessführung erfordert gute Prozesskenntnis und besonderes Pre-Processing: Die CAD-Geometrie muss in einzelne Trajektorien zerlegt und zusammen mit den Schweißparametern für den Schweißroboter formatiert werden. Durch die Prozesssimulation stellt der „Virtual-Try-Out“ eine attraktive Alternative zur kosten- und zeitintensiven Prototypenfertigung dar. Die Komplexität des Prozesses stellt dabei allerdings auch neue Anforderungen and die Simulation. Im Rahmen von IMProVe wurden daher die folgenden drei übergeordneten Themenfelder vorangetrieben: (1) effektiver Modellaufbau, (2) Simulationsmethodik und (3) Validierung und Optimierung.

Im Bereich der Simulationsmethodik wurde eine optimierte Strategie für die Elementaktivierung eingeführt, die es ermöglicht Kontaktberechnungen zu reduzieren, die Simulation zu beschleunigen und die Vorhersagegenauigkeit der Simulation zu steigern.  Eine weitere Reduktion der Simulationszeit konnte beispielsweise durch gezielten Einsatz adaptiver Netzverfeinerung erreicht werden.

Für den Modellaufbau von DED-Simulationen lagen bisher die größten Schwierigkeiten in der manuellen Definition geeigneter Schweißpfade und deren Positionierung im Modellraum. Die Einführung eines Importfilters für G-Code erleichtert nun diese Aufgaben und ermöglicht es, Schweißpfade direkt aus der Bahnplanung des Schweißroboters in die Simulation zu integrieren.

Die Handhabung des Modellaufbaus und neue Simulationsmethoden wurden im Rahmen von IMProVe anhand von Demonstratoren getestet und validiert. Die aus den Projektergebnissen gewonnenen Erkenntnisse konnten direkt in das Projekt eingebracht werden. So wurde in Zusammenarbeit mit OSCAR PLT und der TU Dresden eine geometrische Verzugskompensation einer dünnwandigen Rohrgeometrie durchgeführt. Hierbei wurden die Verzüge des Demonstrators auf Anhieb um über 60 Prozent reduziert. Ein vergleichbares Ergebnis konnte auch zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) anhand einer vereinfachten Turbinenschaufel erzielt werden.

Der Erfolg des IMProVe Projektes, welches im April 2020 abgeschlossen wurde, ist für alle Anwender erlebbar: Viele der Projektergebnisse sind bereits in das DED-Modul von Simufact Welding integriert!