AeroSim – Entwicklung eines Simulationswerkszeuges für Strahl ...

Ansätze zur rechenzeiteffizienten Struktursimulation 

additiv gefertigter, filigraner Bauteile 

ANSYS Conference & 30. CADFEM Users‘ Meeting 

Kassel, 25. Oktober 2012 

DIPL.-ING. CHRISTIAN SEIDEL

Gliederung 

1. Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften 

2. Strahlschmelztechnologie 

3. Industrieller Simulationseinsatz im AM 

4. Rechenzeiteffiziente Struktursimulation 

5. Zusammenfassung und Ausblick 

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Institut für Werkzeugmaschinen und 

Betriebswissenschaften 

Standorte des iwb 

iwb Anwenderzentrum 

Augsburg 

Anwendungsnahe Forschung 

und Technologietransfer 

Fraunhofer Projekt- 

gruppe 

Ressourceneffiziente Mechatronische 

Verarbeitungsmaschinen 

Nürnberg 

München 

iwb Garching 

Forschung und 

Lehre auf dem 

Gebiet der 

Produktionstechnik 

© iwb 2012 30.08.2012 Seite 3

Institut für Werkzeugmaschinen und 

Betriebswissenschaften 

iwb Anwenderzentrum Augsburg 

Bezugsjahr des Standorts: 1994 

Hauptaufgaben: 

Erarbeitung von produktions- 

technischem Wissen durch 

anwendernahe Forschung 

und Technologietransfer für 

Unternehmen in Bayern 

Kernkompetenz: 

Forschung auf dem Gebiet der 

additiven Fertigungsverfahren seit 

dem Jahr 1994 

Unterstützt durch: 

© iwb 2012 30.08.2012 Seite 4

Gliederung 






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Einführung in die 

Strahlschmelztechnologie 

Definitionen und Anwendungsbeispiele 

Additives Urformen von Bauteilen 

� Additive Fertigung: Schichtweise Verfestigung aus flüssigem, pulver- oder drahtförmigem 

Zustand 

� Strahlschmelzen: Lokales Aufschmelzen von pulverförmigen Eisen- bzw. Nichteisenmetallen 

durch Absorption elektromagnetischer Strahlung 

Beispielhafte Anwendungsfelder des Strahlschmelzens 

� Prototyping: 

Prototypen mit vergleichbaren Festigkeitseigenschaften 

wie Serienbauteile 

� Tooling: 

Spritzgussformen mit konturnaher Kühlung 

� Manufacturing: 

Bauteile, die ein hohes Spanvolumen bei subtraktiver 

Herstellung verursachen (z. B. Turbinenschaufeln) 

Abb.: Werkzeugformeinsätze, 

konturnah gekühlt 

Abb.: Turbinenschaufel 

© iwb 2012 30.08.2012 Bildquelle: Concept Laser GmbH 

Seite 6



Metall- und laserbasierte additive Fertigung 

a 

b 

c 

d 

a 

b 

c 

d 

Schematischer Anlagenaufbau 

Laserstrahlerzeugung und 

-ablenkung 

Laserstrahl 

Prozesskammer mit 

Schutzgas 

Pulverbett 

e 

f 

g 

h 

i 

Pulverauftragsmechanismus 

Bauteil 

Supportstrukturen 

Bauplatte 

Absenkbare Bauplattform 

e 

f 

g 

h 

i 

Grundprinzip des Prozesses 

� Lokales Aufschmelzen pulverförmiger 

Eisen- bzw. Nichteisenmetalle (d) durch 

Absorption elektromagnetischer Strahlung 

(a und b) 

� Generierung des Bauteils (f) auf einer Bauplatte 

(h) unter Schutzgasatmosphäre (c) 

� Überhängende Bauteilbereiche sind mit 

Supportstrukturen (g) zu stützen 

Fertig? 

Absenkung der 

Bauplattform 

um eine 

Schichtdicke 

Schicht- 

auftrag 

Belichtung 

© iwb 2012 30.08.2012 Seite 7 

Nein

Temperatur 



Energieeinbringung und -verteilung 

Prozessbedingtes thermisches Zyklieren 

T s 

T VH 

Zeit t 

Betrachtung einer Schicht, wobei T VH der 

Vorheiztemperatur entspricht: 

� mehrfaches Aufschmelzen, je nach Wahl 

der Prozessparameter 

� Beeinflussung durch Prozesswärme unterhalb 

der Schmelztemperatur T s 

3D-Umgebung des Prozesses 

b d 

� Pulverwerkstoff weist relativ zu verfestigtem 

Material reduzierte Wärmeleitfähigkeit 

auf 

� 3D-Umgebung je Schicht entscheidend für 

Energieverteilung 

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c 

a 

a Laserstrahl 

c Schmelzbad 

b Verfestigtes Material d Pulverbett 

Wärmestrom in verfestigtes Material 

Wärmestrom in pulverförmiges Material

Gliederung 



3. Industrieller Simulationsbedarf 



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Industrieller Simulationseinsatz im AM 

Primärziele des industriellen Simulationseinsatzes 

Verbesserung von Prozessverständnis 

Beispiele: Modellierung der Strahl-Stoff- 

Wechselwirkung, der Gefügeausbildung oder 

der Pulverschichterzeugung 

Laserstrahl 

Teilstrahlen 

Pulverbettoberfläche 

Abb.: Strahl-Stoff-Wechselwirkung (in Anlehnung an 

KRUTH ET. AL. 2003)) 

� Wird im Folgenden nicht betrachtet 

Vorhersage von Bauteileigenschaften 

Struktursimulation zur Vorhersage resultierende 

Bauteileigenschaften 

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Verformungen in Z-Richtung 

Z 

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 

9,00 

9,00 

8,00 

mm 8,00 

7,00 

7,00 

6,00 

6,00 

5,00 

5,00 

4,00 

4,00 

3,00 

3,00 

2,00 

2,00 

1,00 

1,00 

0,00 

0,00 

-1,00 

-1,00 

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 

Block-Support Waben-Support Soll-Höhe 

Block-Support Waben-Support Soll-Höhe 

Abb.: Z-Verformung einer Tildengeometrie nach dem 

Entfernen des Block- bzw. Wabensupports (Dunkelblau)

Industrieller Simulationseinsatz im AM 

Bedarf an flexiblen Simulationswerkzeugen 

Akzeptanz für Simulationszeit ist u. a. 

abhängig von 

� der zu erwartenden Bauzeit, 

� der aktuellen Anlagenauslastung, 

� den Pulverkosten für eine 

Bauteilherstellung, 

� der benötigten Ergebnisgenauigkeit sowie 

� dem Erfahrungswissen aus der Fertigung 

vergleichbarer Bauteile. 

Macro-Dateien 

Material- 

werte 

Grad der 

Abstrahierung der 

Wärmeeinbringung 

: 

Scan- 

strategie 1 

Bauteil 

Stahl Titan 

Scan- 

strategie 2 

� Individuelle Anpassung des Simulationsaufwandes an den situationsspezifischen 

Kundenbedarf 

Scan- 

strategie 3 

� Individuelle Macro-Kombination sowie Anpassung der Ausgabedaten zur Begrenzung des 

benötigten Speicherbedarfes (Outres-Optionen) zielführend 

© iwb 2012 30.08.2012 Seite 11 

: 

Abb.: Schematischer Auszug des Aufbaus eines flexiblen 

Simulationswerkzeuges 

Untersuchungsziel Ergebnisgenauigkeit 

Beispiel für Zielgrößen: 

Realität: Verzüge 

Simulation: Knotenverschiebungen 

Beispiel: 

Abschätzung, ob Baubarkeit gegeben vs. 

paarweiser Vergleich resultierender Verzüge 

: 

:

Gliederung 






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Rechenzeiteffiziente Struktursimulation 

Leistungsfähigkeit der Strukturmodellierung 

Definition allgemeine Leistungsfähigkeit: Verhältnis aus erzielter Ergebnisgenauigkeit zu 

benötigter Berechnungszeit 

Bauplatte modelliert mir reale Höhe 

Abstrahierung der Bauplattenmodellierung 

Berechnungszeit: 40 Minuten Berechnungszeit: 18 Minuten 

Max. Verformung nach Supportentfernung: 9,89 mm Max. Verformung nach Supportentfernung: 9,83 mm 

! 

Leistungsfähigkeit = 100 % Steigerung der Leistungsfähigkeit: ≈ + 55 % 

-0,40 3,00 mm 9,89 

-0,40 3,00 mm 9,83 

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Ausgewählte Eigenschaften filigraner Bauteile 

Abb.: Iso-Ansichten filigranes (l) und 

nicht filigranes (r) Demobauteil 

� Erhöhter Flächenanteil des Konturbereichs relativ zu nicht filigranen Bauteilen 

� Im Vergleich zum innenliegenden Füllbereichen kommen im Konturbereich in der 

Regel abweichende Parameter zur Energieeinbringung zum Einsatz. 

� Anfällig gegen Verformungen durch die Beschichterklinge 

Konturbereich 

Füllbereich 

Abb.: Draufsichten filigranes (l) und nicht filigranes (r) 

Demobauteil, Kennzeichnung Kontur- und Füllbereich 

� Eingeschränkte Wärmeableitung durch 3D-Umgebung mit erhöhtem Pulveranteil (relativ 

zu nicht filigranen Bauteilen) 

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Methode zur Klassifizierung von Strahlschmelz-Bauteilen 

Bauteil, welches für das Strahlschmelzen 

geeignet ist 

Festlegung auf Bauteilorientierung 

Analyse resultierender Schichtinfor- 

mationen � Berechnung der Kennzahl K Geo 

K geo< K n,min 

K n,min< K geo < K n,max 

K geo > K n,max 

Filigran Normal Großvolumig 

A 1-1 A 2-2 A 3-3 A 4-4 A 5-5 

K geo = f(A i-i) mit 1 ≤ i ≤ 5 

� Klassifizierung von Bauteilen aufgrund stark unterschiedlicher 3D-Umgebungen 

� Bedarf an Bauteilklassen-spezifischer Modellierungsansätze 

© iwb 2012 30.08.2012 Seite 15 

1 

2 

3 

4 

5 

Legende: 

K n,min 

K n,max 

1 

2 

3 

4 

5 

unterer Grenzwert von Kgeo zur 

Einstufung als „normales“ Bauteil 

oberer Grenzwert von Kgeo zur 

Einstufung als „normales“ Bauteil


Entwicklung leistungsfähiger Simulationssysteme 

Analyse Anwenderanforderungen 

Analyse bestehender Modellierungsansätze 

Anpassung der vier zentralen Teilbereiche 

Individualisiertes Simulationssystems 

Abb.: Vorgehen zur Entwicklung leistungsfähiger 

Simulationssysteme 

Geometrie Material 

Wärmeeinbringung 

Zentrale 

Teilbereiche 

� Eine ideal rechenzeiteffiziente Simulation ist lediglich mit individuell auf Anwenderanforderungen 

(zu modellierende Bauteilklassen, Zielgrößen, verwendete Prozessparametereinstellungen 

etc.) angepassten Ansätzen möglich. 

� Weiteres Potenzial birgt eine numerische Optimierung implementierter Ansätze 

(Elementtypen, Schleifen etc.). 

Umgebungseinflüsse 

Abb.: Zentrale Teilbereiche der Simulation zur Identifikation von 

Potenzial zur Leistungsfähigkeitssteigerung 

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Ansätze – Geometriemodellierung 

� Unterscheidung von Bauteil-, Supportbereichen und der Bauplatte � So genau wie nötig! 

� Beispiel: Bauplatte 

Analyse Anwenderanforderungen 

Analyse bestehender Modellierungsansätze 

Anpassung der Geometriemodellierung 

Reduktion der Elementanzahl in der Höhe, An- 

passung der Konvektionswerte zur Kompensa- 

tion der Einflüsse entfernter Elemente 

Einsatz von Bauplatten unterschiedlicher Dicke 

Abbildung des sich unter dem Bauteil (violett) 

befindlichen Bauplattenbereichs (türkis) in realer 

Höhe (blau hervorgehoben: Supports) 

Spiegelung der ersten Elementreihe von Bauteil- 

und Supportbereichen � Anpassung der Kon- 

vektionslast auf die so entstandenen Knoten 

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� Reale Schichthöhe, die für den Aufbau verwendet wird: circa 20 – 40 μm 

� Stand der Technik: Zusammenfassung von Einzelschichten zu Schichtverbünden mit einer 

konstanten Höhe von 200 μm bis 1 mm 

y 

z 

Abb.: Filigrane 

Geometrie 

x 

Vernetzung mit 

Regelmäßigen 

Hexaedern 

Vernetzung mit 

teilweise runden 

Elementen 

Abb.: Automatische 

Erstellung, filigrane Bereiche 

zu dick 

Abb.: Rund in X-Y, rechteckig 

in Z 

Abb.: Automatische 

Erstellung, filigrane Bereiche 

löchrig abgebildet 

Abb.: Manuelle Anpassung 

des Netzes 

� Vernetzung mit Elementen, die in zwei Raumrichtungen 

rund sind. In Aufbaurichtung jedoch 

stets rechteckig und mit selber Höhe 

� Wahlweise ist auch eine Vernetzung mit variabler 

Höhe möglich 

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� Vernetzungsmöglichkeiten hinsichtlich Wahl des Elementtypes, dessen Elementabmaße 

sowie durch lokale Netzanpassungen 

� Lokale Netzverfeinerung/ -vergröberung 

� Detailliertere Vernetzung von z. B. Konturbereichen � Ermöglicht die detailliertere 

Modellierung der Konturbelichtung 

� U. U. aufwendigere Selektion zu belichtender Bereiche 

Abb.: Beispielhafte Elementrasterung 

� Adaptive Zusammenfassung von Schichten (variable Schichthöhe) 

� Modellierung von Geometrieelemente, die nicht Bestandteil des zu fertigenden Bauteils 

sind (Supportstrukturen, Bodenplatte), mit Ansätzen, die so abstrakt und recheneffizient 

wie möglich sind 

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Schicht n 

Schicht n+1 


Ansätze – Wärmeeinbringung mittels Streifenbelichtung 

Streifenbelichtung Leichte Abstrahierung Starke Abstrahierung 

Mäanderförmige Belichtung 

der Streifen mit der Breite b, 

Orientierung zur x-Achse 

entspricht 0° 

Mäanderförmige Belichtung 

(Streifenbreite b), Winkel zur 

x-Achse entspricht (0+y)° 

x 

x 

6 5 4 

1 2 3 

Unterteilung einer Streifenlänge 

in 3 Boxen (Breite b), die nacheinander 

mit einer Temperaturlast 

beaufschlagt werden. 

1 3 

2 

5 

4 

6 

Winkel der Belichtungsboxen 

zur x-Achse entspricht (0+y)°, 

Anzahl variabel 

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7 

9 

8 

10 

x 

x x 

2 

2 

1 

Keine weitere Unterteilung der 

Streifen (Breite b), Beaufschlagung 

eines gesamten Streifens 

mit einer Temperaturlast 

1 

Vgl. oben, Abschwächung der 

stärksten Abstraktionsstufe 

durch Drehung der Streifen um 

(0+y)° (ohne Box-unterteilung) 

x


Stark abstrahierte Umsetzung der Streifenbelichtung 

Exemplarische Darstellung der Streifenbelichtung der letzten Schicht (Material AlSi12) 

1. Streifen 2. Streifen 5. Streifen 

20 80 200 250 310 370 430 °C 550 

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Gliederung 






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Zusammenfassung 

Ausblick 

Zusammenfassung und Ausblick 

� Strahlschmelzen besitzt das Potenzial, die Produktionstechnik zu revolutionieren. 

� Simulationseinsatz zur Unterstützung der Transition des Haupteinsatzgebietes von der 

Entwicklung in die Produktion 

� Hohe physikalische Komplexität des Strahlschmelzprozesses 

� Aufgrund hoher Berechnungszeiten bieten überwiegend kundenindividuell angepasste 

Simulationswerkzeuge den maximalen Nutzen für den Anwender zur Unterstützung bei 

der Prozessauslegung 

� Modellierungsansätze sind sowohl bauteil-, zielgrößen- als auch prozessparameterspezifisch 

zu entwickeln und zu kombinieren 

� Detaillierung der vorgestellten Methode zur Klassifizierung von Bauteilen 

� Aufbau und exemplarische Anwendung einer Methode zur Entwicklung von 

Struktursimulationswerkzeugen für das Strahlschmelzen, die sich flexibel an 

Anwenderanforderungen anpassen lässt � Maximierung der kundenindividuellen 

Leistungsfähigkeit 

� Systematische Entwicklung geeigneter Macros zur Modellierung filigraner, normaler 

und großvolumiger Bauteile, Fokus zunächst auf die Handlungsfelder 

� Geometrie 

� Wärmeeinbringung 

� Material 

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Kontakt: 

Dipl.-Ing. Christian Seidel 

Telefon +49 (0) 821 / 5 68 83 - 44 

Telefax +49 (0) 821 / 5 68 83 - 50 

E-Mail: christian.seidel@iwb.tum.de 

Adresse 

iwb Anwenderzentrum Augsburg 

Beim Glaspalast 5 

86153 Augsburg 

www.iwb-augsburg.de

Literaturverzeichnis 

The research leading to these results has received funding from the European Union's 

Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) for the Clean Sky Joint Technology 

Initiative under grant agreement n°287087. 

© iwb 2012 30.08.2012 Seite 25

AeroSim – Entwicklung eines Simulationswerkszeuges für Strahl ...

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