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.
Simufact Additive basiert auf der bewährten Marc-Solver-Technologie von MSC Software.
Das Grundkonzept von Simufact Additive bildet das Fundament für breite Veränderbarkeit und Skalierbarkeit durch verschiedene Detaillierungsgrade für die Simulationsergebnisse. Simufact Additive kombiniert die besten Ansätze in einer einzigen Softwarelösung.
Dies nennen wir einen Multi-Skalierungsansatz
Simufact Additive bietet verschiedene Berechnungsmethoden an:
Additive Fertigungsverfahren mit Metallen sind immer komplexe zeitabhängige thermo-mechanische Prozesse, die einen entsprechend hohen Simulationsaufwand erfordern. Um schneller zu praxistauglichen Ergebnissen zu kommen, haben wir bei der Entwicklung der Software die Methode der „inhärenten Dehnungen“ auf die additive Fertigung im Pulverbett übertragen.
Die Methode der inhärenten Dehnungen stammt dabei ursprünglich aus der Schweißtechnik und sollte auch hier dazu dienen die Berechnung komplexer Schweißvorgänge zu vereinfachen und zu beschleunigen. Die Grundidee dahinter ist, dass die komplexe thermo-mechanische Historie des Prozesses letzlich eine typische nicht-elastische (d. h. sich nicht wieder zurückbildende) Dehnung in das Bauteil einbringt, die sogenannte inhärente Dehnung. Kennt man nun diese Dehnung, kann man sich die aufwändige zeitabhängige thermo-mechanische Berechnung sparen und wesentlich schneller rein mechanisch rechnen.
Mit dieser Methode können nachgewiesenermaßen hervorragende Ergebnisse bezüglich des Verzugsverhaltens und auch der Belastung durch innere Spannungen erzielt werden. Sie ist damit erste Wahl um schnell, d. h. innerhalb von Minuten oder wenigen Stunden, praktisch verwertbare Ergebnisse zu erzielen.
Die Herausforderung der mechanischen Methode ist es nun möglichst elegant, d. h. schnell und zuverlässig, an die typischen inhärenten Dehnungen des betrachteten Prozesses zu gelangen. Eine Möglichkeit wäre diese wieder durch eine kleinskalige Simulation des Belichtungsprozesses zu bestimmen. Neben dem Zeitaufwand bestehen aber im wesentlichen große Unsicherheiten bezüglich der möglichen Ergebnisqualität, da zwar die nominellen, aber nicht die tatsächlichen Bedingungen des realen Prozesses vollständig bekannt sind, die zudem noch schwanken können. Als bester Ansatz hat sich daher die Kalibrierung der inhärenten Dehnungen an Testkörpern bewährt. Denn keine noch so gute Simulation kann das Ergebnis eines physikalischen Tests vollständig ersetzen.
Ein schneller Optimierungsalgorithmus kalibriert die inhärenten Dehnungswerte, sodass diese in der Simulation zu den im Test gemessenen Verformungen führen. Diese Dehnungswerte repräsentieren die verwendete (individuelle) Maschine, das Material und auch die verwendeten Prozessparameter. Dies ermöglicht eine zuverlässige und schnelle Simulation auch für komplexe additiv gefertigte Komponenten.
Eine korrekte Kalibrierung ist unerlässlich, um genaue Ergebnisse der Simulation zu erhalten.
Alle wichtigen Daten und Details für eine einfache und schnelle Kalibrierung, unabhängig ob mechanisch, thermo-mechanisch oder thermisch, sind bereits in der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) vordefiniert. Dies umfasst unter anderem auch die einzelne Cantilever-Geometrie, einheitliche und isotrope inhärente Eigendehnungen, den Messpunkt sowie die Abtrennphase.
In Simufact Additive können die Benutzer diese Kalibrierungsparameter an ihre Anforderungen anpassen. Zusätzlich können sie ihre Geometrie hinsichtlich der räumlich abhängigen Prozessparameter kalibrieren.
Die benutzerdefinierte Kalibrierung ermöglicht auch das Importieren von benutzerdefinierten Geometrien und das Einbeziehen der Basisplatte während der Kalibrierung.
Simufact Additive bietet erstmals die Möglichkeit nicht nur einen Satz inhärenter Dehnungen für den gesamten Bauraum zu verwenden, sondern eine ortsabhängige Matrix zu definieren. Damit lassen sich z. B. unterschiedliche Verhältnisse an den Seiten und in den Ecken des Bauraums, aber auch in der Höhe abbilden.
Dadurch ist eine weitere Verbesserung der Ergebnisqualität, insbesondere für stark ausgenutzte Bauräume, möglich.
Die Kalibrierung der inhärenten Dehnungen lässt sich dabei für eine konstante Höhe in der x-y-Ebene automatisch durchführen.
Die rein mechanische Methode der inhärenten Dehnungen hat bei allen Vorteilen zumindest einen möglichen Nachteil – es ist kein Einblick mehr in die thermischen Vorgänge möglich, die aber für den additiven Entstehungsprozess entscheidend sind. Spezifische Fertigungsprobleme können einen Einblick in die Temperaturverläufe nötig machen, z. B. um gezielt wärmeableitende Stützstrukturen zu setzen oder den Effekt einer Bauplattenheizung zu bewerten.
Um dies bei Bedarf effektiv auf der Bauteilebene zu ermöglichen haben wir in Simufact Additiv ein neuartiges thermisches Berechnungsmodell auf Elementschicht-Ebene entwickelt. Mit Kenntnis der wesentlichen Maschinenparameter wie Laserleistung, Geschwindigkeit und Belichtungsstrategie lässt sich der globale Temperaturverlauf während des Bauprozesses simulieren. Da der reale Wirkungsgrad des Schmelzprozesses i. d. R. unbekannt ist, kann dieser bequem gegen eine vorgegebene Spitzentemperatur kalibriert werden. Ein physikalischer Test ist hierzu nicht notwendig.
Als Ergebnisse ergeben sich z. B. die erreichten Spitzentemperaturen, welche eine Identifikation und Bewertung von über- und unterhitzten Bereichen ermöglicht. Ebenso hat der Anwender die Möglichkeit auch zeitliche Aufheiz- und Abkühlraten, örtliche Temperaturgradienten und Wärmeflüsse auszuwerten.
Zusätzlich zur bewährten rein mechanischen Inherent-Strain Methode und zur rein thermischen Berechnung bietet Simufact Additive auch eine thermo-mechanisch gekoppelte Berechnungsmethode an. Um neben dem Temperaturverlauf auch mechanische Größen wie Verzug und Eigenspannungen abzuleiten, haben wir in Simufact Additive basierend auf der thermischen Berechnung gezielt einzelne Berechnungsschritte mechanisch gekoppelt.
Wie bei der Methode der inhärenten Dehnungen ist auch hier eine Kalibrierung gegen den Verzug empfehlenswert. Auf diese Weise vermeidet der Anwender eine modellbedingte Überschätzung des Verzugs. Dazu verwendet er das gleiche Cantilever-Modell wie bei der mechanischen Kalibrierung. Hierbei ist wichtig die thermischen Dehnungen in der Kalibrierung so zu skalieren, um das gemessene Verformungsergebnis in der Simulation zu erzielen. Damit gewährleistet die Software realistische Spannungsniveaus vorherzusagen.
Die thermo-mechanische Simulation bietet sich an, wenn man mechanische und thermische Ergebnisse in einer Simulation abbilden möchte. Darüber hinaus lassen sich in speziellen Fertigungssituationen bessere Vorhersageergebnisse als mit den rein mechanischen inhärenten Dehnungen erzielen. Dies liegt u. a. daran, dass diese Methode den zeitlichen Einfluss unterschiedlich großer Schichten berücksichtigt, was insbesondere bei starken Änderungen der Schichtflächen ins Gewicht fällt.
Gemäß den gesammelten Erfahrungen ist die thermo-mechanische Methode z. B. empfehlenswert bei
Mit dieser Berechnungsmethode lassen sich Verzüge und Fertigungsprobleme nachbilden, welche in der rein mechanischen Simulation nicht offensichtlich sind.
Simufact Additive bietet neben dem Windows-Solver auch einen Linux-Solver. Damit steht die Software auch für Simulationen auf Linux-Rechnern z. B. in High-Performance-Clustern zur Verfügung. Die Bedienung der Software über das GUI läuft weiterhin im Windows-Umfeld.
Auf diese Weise lassen sich sehr große Modelle oder unzählige Varianten unter Verwendung starker Parallelisierung schnell berechnen.
Um Metallteile aus additiver Fertigung effizient einsetzen zu können, muss das mechanische Verhalten des Teiles unter verschiedenen Belastungen vorhergesagt werden. Das Verhalten hängt stark von den inhärent inhomogenen lokalen Eigenschaften des Basismaterials ab. Um die lokalen Materialeigenschaften exakt vorhersagen und steuern zu können, ist eine genaue Kenntnis der zugrundeliegenden Mikrostruktur mit robuster Integration in Finite-Elemente-Software erforderlich.
Zur Vorhersage der Mikrostrukturen baut Simufact weitere Funktionalitäten in Simufact Additive ein, für die transiente Simulation mit angekoppelter Mikrostruktur. Simufact arbeitet mit Materials Resources LLC (MRL) zusammen, einem Vorreiter in der Materialinformatik. Diese Zusammenarbeit eröffnet Konstrukteuren und Herstellern die positionsabhängigen Mikrostruktureffekte, mittels eines integrierten rechnergestützten mikrostrukturkundigen Antwortlabors (ICMRL), welches von MRL entwickelt wurde und zum Kalibrieren und Validieren von Simufact Additive verwendet wird. Es wird eine ständig wachsende Datenbank für Verarbeitung, Mikrostruktur und Eigenschaften von additiv hergestellten Metallen eingebaut. Dadurch erhalten die Simufact-Kunden ein mikrostrukturkundiges Modellierungswerkzeug, das von der Pulververarbeitung bis zur mechanischen Leistungfähigkeit des fertigen Teils reicht.
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