Promotion 23.
Promotion 23. Anwenderforum Additive Produktionstechnologie ▶ SIMULATIONSGESTÜTZTE ENTWICKLUNG VON PARAMETERN FÜR DEN ADDITIVEN PROZESS Entwicklungskosten für additive Bauparameter reduzieren Um mit einer Anlage für den 3D-Metalldruck produktiv arbeiten zu können, werden optimale Prozessparameter benötigt. Diese erhält man typischerweise durch aufwendige und zeitintensive Probekörper. Die Programmfamilie der Simulationssoftware ANSYS bietet in ihrer Additive Suite ein Zusatzprogramm namens Additive Science, welches die Parameterentwicklung deutlich verkürzt und zunächst virtuell testet, bevor erste Probekörper gedruckt werden. Autor: Keno Kruse, Business Development Manager ANSYS Coaxial Average Sensor: Ergebnisse mit einem Sensor- Radius von 1 mm. Bild: Cadfem Der 3D-Metalldruck ist ein anspruchsvolles additives Fertigungsverfahren. Aus diesem Grunde wird viel Zeit und Geld darauf verwendet, den Druckprozess optimal zu gestalten, da nur ein wieder - holbarer Prozess mit verlässlicher Qualität zählt. Je nach Material und Bauteilart bedarf es einer speziellen Baustrategie. Irgendwo im weiten Feld zwischen unterschiedlicher Laserleistung, -geschwindigkeit und Hatchabstand befinden sich die gewünschten optimalen Prozessparameter. Maschinenhersteller liefern ihre Anlagen mit Standardmaschinenparametern aus, die zwar prinzipiell eine Produktion ermöglichen, jedoch nicht für die speziellen Anwendungsfälle hin optimiert worden sind. Die Wahl der Parameter Um die 3D-Metalldrucker in der Produktion effizient zu nutzen, müssen vorab die idealen Prozessparameter aus einer Vielzahl an Testkörpern in langwierigen Untersuchungen ermittelt werden. Falsche Parametereinstellungen führen zu Effekten wie Keyholing, Balling-Up oder Lack-of-fusion. Hier setzt die Software von AN- SYS an. Die simulationsgestützte Parameterentwicklung mit ANSYS Additive Science spielt alle Power/ Speed/Hatch-Space-Varianten aus der Verbindung von Maschine und Material virtuell durch. Der Prozessingenieur erhält anschließend in vier Schritten Auskunft zu den Auswirkungen der Einstellungen: Schmelzpoolgeometrie (Single Bead), Porosität, thermische Historie und die Vorhersage der Mikrostruktur. Die Geometrie des Schmelzpools Bei der Single-Bead-Simulation geht es um die Geometrie des Schmelzpools. Aus unterschiedlichen Power/Speed-Kombinationen des Lasers werden die jeweilige Breite, Länge und Tiefe des Schmelzpools ermittelt. Die Porosität des erstarrten Materials wird im zweiten Schritt ermittelt, in dem die idealen Power/Speed- Kombinationen aus der Single- Bead-Simulation mit unterschiedlichen Laserlinienabständen (Hatch Spaces) variiert werden. Anschließend überträgt man die idealen Laserparameter auf das tatsächliche 3D-Modell. In der thermischen Historie werden die einzelnen Scanvektoren des Modells über mehrere Schichten hinweg thermisch simuliert, um mögliche Schwachstellen, z. B. Hot Spots aufzudecken. Ausblick auf das Metallgefüge Relativ neu ist die Funktion der Mikrostruktur in Additive Science. Hier lassen sich Rückschlüsse auf das entstehende Metallgefüge ziehen, indem die Korngröße und die Orientierung ermittelt werden. Mit der ANSYS Additive Suite erhalten Anwender ein leistungsfähiges Softwarepakete für die additive Fertigung von Metallteilen, die den gesamten Prozess vom Produktdesign bis zur Produktentstehung in der Maschine abdeckt. ■ Cadfem GmbH www.cadfem.de 30 additive April 2020
Promotion 23. Anwenderforum Additive Produktionstechnologie ▶ LASER POWDER BED FUSION Qualitätssteigerung durch Online-Prozess-Monitoring Laser Powder Bed Fusion ermöglicht die Herstellung hochkomplexer metallischer Bauteile hoher Dichte mit gezielt eingestellten mechanischen Eigenschaften. Dabei belaufen sich die direkten Produktionskosten quasi unabhängig der Bauteilkomplexität. Herausforderungen stellen heute prozessorale Einschränkungen wie etwa vergleichsweise kleine Prozessfenster und eine Vielzahl an unbekannten Parametereinflüssen dar. Das Online-Prozess-Monitoring bietet eine Möglichkeit, diesen Herausforderungen zu begegnen und den gesamten Fertigungsprozess qualitativ zu optimieren. Autoren: Artur Leis und Dr. Max Hoßfeld Mithilfe unterschiedlicher Anordnung von Diagnostikgeräten, wie beispielsweise Pyrometer, Hoch - geschwindigkeitskameras und Dioden, können für bekannten Ursache-Wirkungsprinzipien geschlossene Regelkreise den Prozess regeln und die Qualität gewährleisten. Merkmale sammeln und abgleichen Qualität ist nach der DIN EN ISO 9000 definiert als „Vermögen einer Gesamtheit inhärenter Merkmale eines Produkts, eines Systems oder eines Prozesses zur Erfüllung von Forderungen von Kunden und anderen interessierten Parteien.“ Das Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren stellt ein schichtweises additives Fertigungsverfahren dar, bei welchem durch selektives Umschmelzen einer applizierten Pulverschicht hochkomplexe Bauteile erzeugt werden können. Die hohe Prozessgeschwindigkeit (bis zu 2 m/s) und der geringe Strahldurchmesser, meist etwa 100 μm, führen dabei Bild: Artur Leis/IFSW Oben: Bei geringer Leistung befindet sich der Prozess im Wärmeleitungsschweißen. Unten: Bei hoher Leistung wird eine Dampfkapillare ausgebildet, sodass im Tiefschweißen prozessiert wird. zu einer hohen zu beherrschenden Prozesskomplexität, die in unterschiedlichen Schweißregimen und der parameterabhängigen Fehlerausbildung resultieren. Ermittlung von Prozessparametern Stand der Technik für den LPBF- Prozess ist dabei die experimentelle, auf Erfahrungswissen basierende Ermittlung von Prozessfenstern. Durch die Integration von High- Speed-Online-Monitoring-Tools kann dieser aufwändige Findungsvorgang für Prozessparamater auf ein Minimum reduziert werden. Hierfür ist es erforderlich, unterschiedliche Qualitätsmerkmale mittels Diagnostik aufzunehmen und mit einer Referenz abzugleichen. So können etwa Einzelbilder und Videoaufnahmen aus der Baukammer zur Untersuchung einer Ablösung des Bauteils von der Bauplatte herangezogen werden. Weiter kann mithilfe einer Diode, die im Wellenlängenbereich des Laserstrahls empfindlich ist, der Anteil der reflektierten Laserstrahlung ermittelt werden, woraus ungewünschte Prozessregime erkannt und durch Regelung der entsprechenden Parameter verhindert werden können. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen führen des Weiteren zu einem besseren Verständnis der auftretenden Phänomene und tragen einen wesentlichen Teil zum Prozessverständnis bei. Derzeit sind folgende Fehlerbilder mittels Online-Prozess-Monitoring erkennbar: Poren und Lunker, fehlende Geometrien, Bauteilverzug, Substratplattenabriss, Bauteilrisse sowie ■ Spritzer. Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart www.ifsw.uni-stuttgart.de additive April 2020 31
