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. Durch Produktindividualisierung und Produktdigitalisierung bergen sie das Potenzial die Fertigungslandschaft zu revolutionieren. Allerdings hemmen Faktoren wie hohe Stückkosten und vergleichsweise lange Fertigungszeiten die Verbreitung additiver Verfahren in der Produktionslandschaft.

Für industrielle Großbauteile bietet das Laserauftragsschweißen maximale Auftragsleistung und ermöglicht mit drei Freiheitsgraden größtmögliche Designfreiheit. Im Rahmen von IMProVe engagiert sich Simufact in Zusammenarbeit mit Partnern aus Forschung und Industrie dafür, bestehende Verfahrensgrenzen zu überwinden und das Auftragsschweißen für eine breitere Anwendung vorzubereiten.

Während die große Designfreiheit das Potenzial der additiven Fertigung wiederspiegelt, stellt der hierdurch erschlossene Parameterraum auch eine der besonderen Herausforderungen dar. Eine erfolgreiche Prozessführung erfordert besonderes Pre-Processing, das genaue Kalibrierung und gutes Prozessverständnis benötigt. Die vollständige CAD-Geometrie wird mit einer geeigneten Software in einzelne Trajektorien zerlegt und als Eingabe für den Schweißroboter formatiert. Typischerweise ist es erforderlich mehrere Prototypen zu fertigen, bis es gelingt ein geeignetes Prozessfenster zu definieren.

Durch die Prozesssimulation stellt der „Virtual-Try-Out“ eine attraktive Alternative zur Prototypenfertigung dar. Bereits jetzt ist es möglich mit Simufact Welding das Auftragsschweißen kleinerer Komponenten abzubilden. Die Vielzahl und die Komplexität der Schweißbahnen von industrierelevanten Großbauteilen stellen dabei allerdings neue Anforderungen and die Simulation. Für Simufact liegt der Fokus daher auf der gezielten Weiterentwicklung der Schweißstrukturanalyse.

Lange Schweißpfade und dünne Schichtdicken stellen große Anforderungen an die Vernetzung und resultieren in feinen Netzen und entsprechend langer Simulationszeit. Daher arbeitet Simufact solverseitig an neuen Ansätzen zur Modellreduktion um auch bei großvolumigen Bauteilen akzeptable Rechenzeiten zu erzielen.

Damit sich auch Modelle komplexer Bauteile anwenderfreundlich und bauteilnah umsetzen lassen, soll ein neues Modul für die graphische Benutzeroberfläche (GUI) konzipiert werden. Vorgesehen ist hier beispielsweise eine direkte Schnittstelle zwischen Simulation und Bahnplanung, die es ermöglicht die in der Prozessplanung festgelegten Roboterdaten direkt in die Simulation einfließen zu lassen. Simulationsergebnisse wie die Eigenspannungsverteilung können dann direkt als Zielgröße für eine Prozessoptimierung genutzt werden. Eine simulationsgestützte Verzugskompensation könnte somit bald ein unverzichtbarer Teil der Prozessplanung des Laserauftragsschweißens werden.

In dem Verbundprojekt AGENT3D-IMProVe arbeitet Simufact im Teilprojekt 2 „Prozess- und Anlagentechnik für das Laser-Auftragsschweißen“ zusammen mit den Industrie-Partnern MTU Aero Engines AG, OSCAR PLT GmbH und KSD GmbH sowie den Forschungspartnern Fraunhofer IWS und IFF und der TU Dresden an einer validierten und benutzerfreundlichen integrierten Simulationslösung für das Laser-Auftragsschweißen.