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

IMProVe - AGENT3D

 

 

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!

Veröffentlichungen der Ergebnisse

Un-VERZÜGLICH

Bei der additiven Fertigung gilt es, noch einige Herausforderungen zu lösen. Dem Verzug beim Laserauftragsschweißen etwa hat sich jetzt eine praxisorientierte Forschergruppe gewidmet.

Autoren:  Dr.-Ing. Beatrix Elsner, Dr. Frank Silze und Dr. Axel Marquardt

Erschienen in: DIGITAL ENGINEERING Magazin 03-2020

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Geometric distortion-compensation via transient numerical simulation for directed energy deposition additive manufacturing
Components distort during directed energy deposition (DED) additive manufacturing (AM) due to the repeated localised heating. Changing the geometry in such a way that distortion causes it to assume the desired shape – a technique called distortion-compensation – is a promising method to reach geometrically accurate parts. Transient numerical simulation can be used to generate the compensated geometries and severely reduce the amount of necessary experimental trials. This publication demonstrates the simulation-based generation of a distortion-compensated DED build for an industrial-scale component. A transient thermo-mechanical approach is extended for large parts and the accuracy is demonstrated against 3d-scans. The calculated distortions are inverted to derive the compensated geometry and the distortions after a single compensation iteration are reduced by over 65%.
 
Authors: Max Biegler Fraunhofer IPK, Dr. Beatrix Elsner Simufact, part of Hexagons's Manufacturing Intelligence divison, Dr. benjamin Graf Fraunhofer IPK, Michael Rethmeier

Published: Science and Technology of Welding and Joining

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Overcoming distortion in new DED additive manufacturing processes with simulation
Directed energy deposition (DED) is a powerful additive manufacturing technique that combines a high degree of freedom in design with relatively high deposition rates that can increase throughput. DED structures are created by repeatedly depositing weld beads from powder or wire feedstock, which also makes it an attractive technique for hybrid manufacturing because features can be added to a base component. However, the numerous heating and cooling cycles involved in the deposition process result in a complex thermal history that can entail distort the entire component.
 
Authors: By Dr.-Ing. Beatrix Elsner, Dr. Frank Silze (OSCAR PLT) and Dr. Axel Marquardt (TU Dresden)

Article puplished in: TCT Magazine June 9 , 2020

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