SB_22183LP

2024
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Erweiterung der
Verfahrensgrenzen beim
Laser-Strahlschmelzen
durch simulations-gestützte
geometrieangepasste
Belichtungsstrategien

Erweiterung der
Verfahrensgrenzen beim
Laser-Strahlschmelzen durch
simulationsgestützte
geometrieangepasste
Belichtungsstrategien
Abschlussbericht zum
Forschungsvorhaben IGF-Nr.: 22.183 N
DVS-Nr.: 13.3434
Fraunhofer-Gesellschaft e.V.
Fraunhofer-Institut für
Werkzeugmaschinen und
Umformtechnik IWU
Technische Universität Dresden Institut
für Maschinenelemente und
Maschinenkonstruktion Professur für
Virtuelle Produktentwicklung
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 22.183 N / DVS-Nr.: 13.3434 der Forschungsvereinigung
Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf,
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online
abrufbar unter: http://dnb.dnb.de
© 2024 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 597
Bestell-Nr.: 170707
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-home.de
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Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 01IF22183N
1. Durchgeführte Arbeiten
AP1: Geometrieanalyse
Ziel
Anhand der Bauteilgeometrie sollen Bereiche für eine adaptive Belichtung detektiert werden.
Neben der Einteilung in eine Kategorie (Überhangbereich, Sonstiges, …) sollen zusätzlich
ortsdiskrete, skalare Werte zur genaueren Unterscheidung bei der Parameterdefinition berechnet
(bspw. Abstand zur Oberfläche in Abhängigkeit des Polarwinkels etc.) und in einem sog.
funktionalen Kennwert (mehrdimensionaler Vektor) zusammengefasst und bei der
Parameterdefinition berücksichtigt werden.
Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse
Es wurden Algorithmen zur Erstellung sog. Signed-Distance-Fields (SDF) erarbeitet (Abbildung 1
- links). Dabei wird, ausgehend von einer Dreiecksnetzbeschreibung eines Objektes, ein
Voxelfeld diskretisiert. Hierbei wird jeder Voxelposition ein vorzeichenbehafteter Abstand zur
Oberfläche zugeordnet. Die Voxelgröße kann eingestellt werden, und orientiert sich an der
geometrischen Auflösung der dargestellten Objekte. Das SDF kann zur Optimierung der
Berechnungs modifiziert werden. Dabei werden nur in einer angegebenen Bandbreite um die
Oberfläche des Objektes exakte Werte berechnet. Andere Voxel werden mit Standardwerten für
Innen und Außen gefüllt. Es zeigt sich, dass die Berechnung aller innenliegenden Voxel in
ausreichender Geschwindigkeit (wenige Sekunden) stattfinden kann.
Zur Analyse der Geometrie sind verschiedene Methoden implementiert worden. Alle basieren auf
der Auswertung der errechneten SDF. Dabei werden folgende Dinge berechnet:
• binäre Felder: dreidimensional berechnete Voxelfelder mit Werten für Innen (= 1) und
Außen (= 0)
• ebene 2D-Distanzfelder: Layer-parallel zur Baurichtung berechnete Felder mit Abständen
zur jeweiligen (ebenen) Kontur
• ebene 2D-Normalenkarte: Winkelkarten errechnen sich durch den lokalen Anstieg,
welcher durch die Abstandswerte in einer entsprechenden ebenen Nachbarschaft (3x3)
• 3D-Normalenkarte: Berechnung durch die Analyse aller Voxel in einem (3x3x3)-Bereich.
Für die Detektion der Überhänge wurden verschiedene Methoden auf Basis der
Voxelbeschreibung umgesetzt. Als einfachste Lösung wurde jedes Voxel als Überhang markiert,
bei dem in einer definierten Distanz unterhalb desselben (entgegen der Baurichtung) kein
besetztes Voxel steht. Gespeichert wird der Überhang als binäre Karte (Abbildung 2 - rechts). In
einer erweiterten Methode (und später favorisierte Lösung) lässt sich aus der errechneten
Normalenkarte und den SDF-Distanzen (siehe oben) der Bereich des Überhangs identifizieren
(Abbildung 1 - rechts). Die Normalenvektoren werden mit negativen Z-Wert und entsprechendem
(kleinen) Winkel zur positiven Z-Achse gespeichert. Zusätzlich gibt die Distanz an, wie weit die
Überhang-Oberfläche von der aktuellen Position entfernt ist. Des Weiteren werden auch einzelne
Distanzfelder anhand der segmentierten Down-Skin-Flächen berechnet (Abbildung 3). Die
Segmentierung erfolgt dabei anhand des Normalenvektors der Dreiecke und dem daraus
berechneten Down-Skin-Winkel.
Die errechneten SDF liegen in einer sog. octree-basierten speicher-reduzierten Form in einer
Softwarebibliothek vor. Daneben lässt sich diese Form der Beschreibung in ein vollständig
besetztes (Steuerungs-)Feld umrechnen. Dabei ist das ganze Array mit Werten gefüllt. Ferner
sind alle Einträge über eine Transformationsmatrix eindeutig im Koordinatensystem des Bauteils

Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 01IF22183N
verortbar. Damit lassen sich die gespeicherten, lokalen Eigenschaften auslesen. Zur besseren
Kombination der einzelnen Steuerungsfelder liegen diese einzeln vor, der mehrdimensionale
Eigenschaftsvektor ergibt sich aus den ortsbezogenen Einträgen der einzelnen Felder.
Abbildung 1: Signed Distance Field (links) und Bridge Region Field (rechts)
Abbildung 2: Planares Signed Distance Field (links) und voxelbasierter Überhangbereich
(rechts)
Abbildung 3: Segmentierung der Down-Skin-Flächen und des daraus resultierenden Distanz-
Feldes (SDF)

Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 01IF22183N
AP2: Geometrieadaptives Hatching
Ziel
Anhand der Ergebnisse aus AP 1 werden die funktionalen Kennwerte zur Erstellung von
größenangepassten Teilbelichtungsflächen verwendet und somit auf eine Down-Skin abhängige
Größeneinteilung abgezielt. Für jedes Teilbelichtungsfeld soll weiterhin eine Hatching-Strategie
zur Erzeugung entsprechender Scanvektoren zugeordnet werden.
Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse
Belichtungsstrategie – Größe der Teilbelichtungsflächen
Im Projekt steht eine Belichtungsstrategie auf Basis von einzelnen Teilbelichtungsflächen (auch
Hatchfelder genannt) auf Basis einer Voronoi-Berechnungsvorschrift im Fokus. Für die Nutzung
von Voronoi-basierten Teilflächen innerhalb eines Layers bzw. einer Schicht wurde die Voronoi-
Erzeugung durch sog. Saatpunkte steuerbar gestaltet. Dies geschieht mit denen in AP 1
genannten Voxelfeldern. Die notwendigen Saatpunktabstände, welche anhand lokaler
geometrischer Eigenschaften des Bauteils errechnet werden sollen, können durch diese Felder
bestimmt werden. Um lokale Abstände einzuhalten und eine entsprechende, nahezu runde
Zellform zu erhalten, wurde statt klassischer Zufallsfunktionen das sog. Poisson-Disk-Sampling
genutzt. Damit lässt sich die Häufigkeit, mit der ein Saatpunkt auftritt, mit dem Abstand zu den
umherliegenden Saatpunkten berechnen. Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse für verschiedene
Größen für Teilbelichtungsflächen. Zu sehen sind gleichförmige Teilbelichtungsflächen mit
definierter Größe (Abbildung 4 – links und Mitte). Die lokale Größe wird als Funktion des
Distanzwertes berechnet. Damit sind auch Gradierungen der Größe möglich (Abbildung 4 -
rechts).
Abbildung 4: Variation der Teilbelichtungsflächengröße in einer Schicht
(LE – Längeneinheiten)
Die nachfolgende Abbildung (Abbildung 5) zeigt exemplarisch die Anwendung der
Größensteuerung durch die berechneten Distanzfelder. Dabei wird das SDF direkt zur
Berechnung der Teilbelichtungsflächengrößen genutzt.
Abbildung 5: Berechnung der Teilbelichtungsflächen mit einer, über das Distanz-Feld
steuerbarer Größe. Innen sind größere, nach außen werden die Teilbelichtungsflächen kleiner