Additive Fertigung

Simulationssystem für das Strahlschmelzen

Ob Selective Laser Melting, Direct Metal Laser Sintering oder LaserCusing: Mit dem am iwb Anwenderzentrum Augsburg entwickelten Simulationssystem SimuSint lassen sich vor Produktionsbeginn fertigungsbedingte Temperaturfelder, Bauteilverformungen und -eigenspannungen berechnen. Das erlaubt dem Anwender, bauteilspezifische Prozessparameter zu identifizieren, mit denen sich eine first-time-right-Fertigung ohne Ausschuss realisieren lässt. Bei der Auslegung der Temperiersysteme für per LaserCusing gefertigte Spritzgießwerkzeuge helfen die Ergebnisse des Forschungsprojekts ProTemp.
Abbildung 1: Ventilgehäuse der Festo AG & Co. KG: Durch die Simulation erhält der Anwender die Möglichkeit, zeitnah Rückschlüsse auf den qualitativen Eigenspannungs- und Verformungsverlauf des gesamten Bauteils zu ziehen.

In produzierenden Unternehmen lassen sich die Anforderungen an das Produkt bzw. den dazugehörigen Produktionsprozess auf die Begriffe Qualität, Kosten und Zeit konzentrieren. Alle drei können durch eine virtuelle Prozessauslegung mit digitalen Werkzeugen vor dem eigentlichen Fertigungsprozess optimiert werden (1,2). Heutzutage lassen sich bereits fertigungsbedingt auftretende Qualitätsdefizite des Produkts mit der Finiten-Elemente-Methode (FEM) innerhalb einer kurzen Berechnungszeit aufdecken und ermöglichen die Einsparung von Produktionskosten durch die Vermeidung von Ausschussproduktionen.

Strahlschmelztechnologien eig- nen sich dazu, besonders metallischen Bauteile immer schneller und kostengünstiger auf dem Markt anzubieten (3). In der Serienfertigung ist bei ihrem Einsatz eine ausreichend hohe Prozesssicherheit und somit die Reproduzierbarkeit von Bauteilen essenziell. Dafür werden vom Anlagenbediener ein hohes Prozessverständnis und die korrekte Wahl der Bauprozessparameter (z. B. Laserleistung, Ablenkgeschwindigkeit) gefordert. Durch die Vielzahl an Einflussgrößen auf den Produktionsprozess ist dieses Ziel nicht immer erreichbar. Abhängig von der Produktgeometrie sind zeit- und kostenaufwändige Versuchsreihen notwendig, um prozessbedingt eingebrachte Eigenspannungen und Verformungen im Bauteil zu minimieren. Zur Steigerung der Ressourceneffizienz ist deshalb der Einsatz von digitalen Werkzeugen zur Minimierung der Produktionsdauer und Optimierung der Bauteileigenschaften in Zukunft entscheidend.
Im Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von morgen“ des BMBF startete im Februar 2007 das Projekt SimuSint. Im Verbundvorhaben entwickelte das iwb Anwenderzentrum Augsburg zusammen mit sechs Industriepartnern Methoden zur Abbildung des Strahlschmelzprozesses mittels der Finiten-Elemente-Methode (FEM). Die erarbeiteten Ergebnisse können dabei der Struktursimulation von Ferti¬gungsprozessen zugeordnet werden. Das Ziel des Konsortiums bestand in der Kopplung einer thermischen mit einer thermomechanischen Berechnung zur Analyse des transienten Temperaturfelds sowie zur Bestimmung von Verformungen und Eigenspannungen. Entwickelt wurden unterschiedliche Detaillierungsgrade hinsichtlich der Abbildung des Strahlschmelzprozesses mit der FE-Methode, um die Anforderungen der Anwender und Systementwickler von Strahlschmelzsystemen hinsichtlich der Abbildung des Fertigungsprozesses sowie der Analyse der Bauteilstruktureigenschaften per Simulation geeignet zu bedienen.

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Steigerung der Ressourceneffizienz durch Simulation in der Produktion

Im bauteilbasierten Globalmodell wird mittels der Umsetzung adäquater Abstraktionsmaßnahmen die Simulationsdauer signifikant verkürzt, etwa durch die Reduktion der Schichtanzahl. Das Zusammenfassen einzelner Schichten und die gleichzeitige Aufbringung der flächigen Wärmelast auf diese Selektion spart zeitintensive Rechenschritte ein. Dadurch erhält der Anwender die Möglichkeit, zeitnah Rückschlüsse auf den qualitativen Eigenspannungs- und Verformungsverlauf des gesamten Bauteils zu ziehen (Abbildung 1). Allerdings lassen sich durch diese Vorgehensweise die Auswirkungen des Prozesses auf den sich schichtspezifisch einstellenden Eigenspannungs- und Verformungszustand nur eingeschränkt analysieren. Diese Modellierungsart eignet sich daher eher zur numerischen Analyse und Optimierung schichtübergreifender Parameter. Innerhalb einer Sensitivitätsstudie lassen sich so etwa unterschiedliche Bauteilorientierungen im Simulationsmodell hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Bauteilstrukturverhalten untersuchen und gegenüberstellen. Der Anwender kann anhand der Ergebnisse die Baustrategie bewerten und optimieren. Dafür stehen im verwendeten Simulationswerkzeug Ansys unterschiedliche Funktionen zur Darstellung der Simulationsgeometrie zur Verfügung (vgl. Abbildung 1).
Im Gegensatz zu den programmtechnisch hinterlegten Methoden im Globalmodell wird beim Detailmodell eine Strategie zur detaillierten Abbildung des Fertigungsprozesses umgesetzt. Innerhalb einzelner Schichten lassen sich so schichtspezifische Prozessparameter in der Simulation hinsichtlich ihres Einflusses auf die thermomechanischen Bauteileigenschaften analysieren. Das Modell ermöglicht die Abbildung und Gegenüberstellung unterschiedlicher Belichtungsmuster sowie der dazugehörigen Prozessparameter. Zur Veranschaulichung der Funktionalitäten des Detailmodells sind die Methoden anhand eines Anwendungsbeispiels in Abbildung 2 dargestellt. Das Simulationsmodell basiert dabei auf einer island-Belichtungsstrategie. Diese sieht eine Schichtverfestigung in einzelnen Belichtungsfeldern vor. Im vorliegenden Beispiel weisen diese eine Größe von 5 x 5 mm² auf und werden sukzessive in einer alternierenden Anordnung verfestigt. Das heißt, dass die zu einem Scanfeld benachbarten Bereiche eine unterschiedliche Anordnung der Belichtungsvektoren (x- und y-scan) aufweisen. Die Belichtungsabfolge sowie die Parameter werden ferner über das im Projekt entwickelte Schnittstellenmanagementsystem automatisch in die Simulationsumgebung übertragen.

Im Bereich des Spritzgießens weist das variotherme Spritzgießen in Kombination mit konturnahen Temperiersystemen ein hohes Potenzial bezüglich Wirtschaftlichkeit sowie Energie- und Ressourceneffizienz auf. So können nicht nur komplexe Bauteile mit einer höheren Maßhaltigkeit produziert, sondern auch die Zykluszeit signifikant reduziert werden (4,5). Darüber hinaus lassen sich durch eine Erwärmung der Werkzeugwand oberhalb der Glasübergangstemperatur qualitativ höher wertige Oberflächen fertigen, welche keine sichtbaren Fließmarken und Bindenähte aufweisen (6). Ermöglicht wird diese definierte Temperierung durch die Verwendung von Temperiersystemen, die der Kontur der Kavität folgen (Abbildung 3). Im Vergleich zu konventionellen, d. h. gebohrten, Temperierkanälen werden diese konturangepassten Systeme mittels generativen Strahlschmelzverfahren, wie beispielsweise dem LaserCusing, gefertigt.

Temperaturgeregelte, konturnahe Werkzeuge fürs Spritzgießen

Bislang basiert allerdings die Auslegung der Temperiersysteme für Spritzgießwerkzeuge in den überwiegenden Fällen auf analytischen Abschätzungen und ist somit stark abhängig von den Erfahrungswerten des Konstrukteurs. Ein Grund hierfür ist, dass derzeit verfügbare Spritzgießsimulationsprogramme im Hinblick auf konturnahe Temperiersysteme nur unzureichend den Wärmeübergang zwischen dem Werkzeug beziehungsweise dem Formeinsatz und dem Temperiermedium beschreiben können, da u. a. der Wärmeübergang zwischen diesen beiden Bereichen mit konstanten Wärmeübergangskoeffizienten berechnet wird. Damit beschränkt sich die Untersuchung der Temperiereigenschaften des konstruierten Systems auf kosten- und zeitintensive experimentelle Versuchsreihen, nachdem die schichtbasierte Fertigung bereits vollständig abgeschlossen ist. Um dennoch einen wirtschaftlichen und leistungsoptimierten Einsatz der temperaturgeregelten, konturnahen Werkzeuge gewährleisten zu können, ist eine virtuelle Auslegung der Temperiersysteme unumgänglich. Hierzu sind Kenntnisse über die Strömungsbedingungen im Temperierkanal sowie über die Wärmewirkung zwischen der plastifizierten Formmasse, dem Werkzeug und dem Temperiersystem notwendig. Daher wird in dem von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Forschungsprojekt ProTemp eine durchgängige virtuelle Prozesskette entwickelt und implementiert, indem das Spritzgießwerkzeug per FEM modelliert und eine mehrfache Kopplung zwischen der Strömungssimulation der Temperierkanäle sowie der thermischen, mechanischen und thermomechanischen Simulation des gesamten Werkzeugs realisiert wird. Abbildung 4 zeigt das im Projekt verwendete Spritzgießwerkzeug mit den abzubildenden Geometriemerkmalen (wie z. B. Rippen, Hauptwandstärkenänderung, Pyramide) sowie erste Ergebnisse einer CFD-Simulation zur Ermittlung der Geschwindigkeitsverteilung des Temperiermediums im konturnahen Temperiersystem. Durch einen automatisierten Transfer der Berechnungsergebnisse in ein CAD-System sollen zukünftig temperatursensitive Punkte im Werkzeug angezeigt werden. Somit wird dem Konstrukteur in Verbindung mit standardisierten Programmbibliotheken eine deutlich vereinfachte Formgebung und effiziente Anordnung der Temperierkanäle in kritischen Bauteilbereichen ermöglicht. Darüber hinaus wird die Adaption und Entwicklung eines Optimierungsalgorithmus zur automatischen Positionierung und Dimensionierung des Temperiersystems im Werkzeug angestrebt. -mc-

M.Sc. Toni Adam Krol, Dipl.-Ing. Sebastian Westhäuser und Dipl.-Ing. Johannes Schilp sind Mitarbeiter des iwb Anwenderzentrum Augsburg, Tel. 0821/56883-45, http://www.iwb-augsburg.de


Quellen
1 Reinhart, G.; Grunwald, S.; Rick, F.: Virtuelle Produktion - Technologie für die Zukunft. VDI-Z Special C-Techniken 141 (1999) 5, S. 26-29.

2 Schack, R.: Methodik zur bewertungsorientierten Skalierung der Digitalen Fabrik. Diss. Technische Universität München (2008). München: Utz 2008.

3 Zäh, M. F.: Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien. Anwender-Leitfaden zur Auswahl geeigneter Verfahren. Iwb Anwenderzentrum Augsburg, Tu München. München: Hanser 2006.

4 Johannaber, F.; Michaeli, W.: Handbuch Spritzgießen. München: Carl Hanser 2004.

5 Spoerrer, A.; Bangarusampath, D.; Altstaedt, V.: The challenge of foam injection moulding − possibilities to improve the surface appearance, foam morphology and mechanical properties. In: Blowing agents and foaming processes, The 9th International conference. Frankfurt, Germany: Smithers Rapra Ltd. 2007. 22.-23.05.2007.

6 Gruber, K.: Variotherme Flüssigkeitstemperierung von Spritzgießwerkzeugen mit oberflächennahen Kühlkanälen. 2. VDI Kunststofftag. Zwickau, 23. April 2008.

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