Beschleunigen Sie den AM-Erfolg mit Simulation – 3DPrint.com

Die Vorteile eines additiven Fertigungsprogramms (AM) sind Ă€ußerst ĂŒberzeugend – fĂŒr die Herstellung hochkomplexer Teile, die wirtschaftliche Fertigung von LosgrĂ¶ĂŸen 1 und die nahezu vollstĂ€ndige Eliminierung von Materialverschwendung. Aber fĂŒr viele Unternehmen ist es heute keine leichte Aufgabe, diese Ziele mit AM zu erreichen, insbesondere ohne die richtigen Design- und Simulationstools. Die KomplexitĂ€t und VariabilitĂ€t der Teile ist ein zweischneidiges Schwert. Additiv ermöglicht die Herstellung viel komplexerer Geometrien, aber der grĂ¶ĂŸere Lösungsraum bedeutet mehr mögliche Fehlermöglichkeiten im Vergleich zur Herstellung einfacherer Geometrien mit herkömmlichen Verfahren. Selbst die erfahrensten Experten laufen Gefahr, mehrere Druckauflagen zu ĂŒberstehen, um genĂŒgend Teile zu erhalten, die ihren Anforderungen entsprechen. Dies untergrĂ€bt nicht nur das Versprechen von AM zur Abfallreduzierung, sondern vervielfacht auch die Kosten eines Projekts. Damit die additive Fertigung als zukunftsfĂ€hige Produktionstechnologie im industriellen Umfeld wachsen kann, benötigen Unternehmen intelligente Werkzeuge, die ihnen helfen, ErstartikelqualitĂ€t aus dem AM-Prozess zu erreichen.

Druckfehler fĂŒhren direkt zu erhöhten Kosten und geringeren ErtrĂ€gen, die in der Welt der industrialisierten Fertigung zu Recht unwillkommene AusdrĂŒcke sind. Das GeschĂ€ftsmodell fĂŒr die moderne Massenproduktion basiert auf Effizienz und QualitĂ€t, um RentabilitĂ€t und RentabilitĂ€t zu erhalten. Durch die Verlagerung einiger Schritte des Entwicklungszyklus in die virtuelle Welt durch Simulation werden teure physische Tests zur Zertifizierung der ProduktqualitĂ€t ĂŒberflĂŒssig. Beispielsweise muss ein Strukturelement in einem Fahrzeugchassis einem gewissen Belastungs- und ErmĂŒdungsniveau standhalten, das ĂŒber das hinausgeht, was vernĂŒnftigerweise im normalen Betrieb als Sicherheitsfaktor empfunden werden wĂŒrde. In der Vergangenheit wurden die Teile entworfen und konstruiert, um dieses Ziel zu erreichen, und dann wurden physische Prototypen getestet, um sicherzustellen, dass die gewĂŒnschten Ergebnisse erzielt wurden. Heutzutage werden solche Teile in einer virtuellen Umgebung simuliert, um die Teileleistung zu bewerten, bevor sie produziert werden.

Durch die virtuelle Simulation der Produktleistung wird jede Testiteration schneller und ohne das verschwendete Material fĂŒr die Erstellung von Prototypen fĂŒr physikalische Tests abgeschlossen. Aufgrund der Vielzahl von Unbekannten im AM-Prozess sollten jedoch viele verschiedene Simulationstechniken berĂŒcksichtigt werden, bevor die Produktion beginnt. Zu diesen Techniken gehören die Optimierung der Druckorientierung, die Simulation des Druckprozesses und sogar die Simulation von ErmĂŒdung und Haltbarkeit.

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Wenn alle anderen Variablen gleich sind, besteht einer der schnellsten Wege zur Verbesserung der DruckqualitĂ€t und -leistung darin, die optimale Druckausrichtung innerhalb der Bauablage auszuwĂ€hlen. Beim planaren Drucken kann die Ausrichtung eines Drucks die erforderlichen DrucktrĂ€ger fĂŒr ÜberhĂ€nge oder Bereiche, die beim AbkĂŒhlen unter der Schwerkraft durchhĂ€ngen könnten, drastisch beeinflussen. Ein kluger Ingenieur könnte das Teil so konstruieren, dass viele dieser HĂŒrden vermieden werden, aber dazu wĂ€re jahrelange Erfahrung erforderlich. Die Simulation der Auswirkungen einer großen Anzahl von Ausrichtungen kann jedoch ein perfektes Teil liefern, wodurch Konstruktionszeit fĂŒr die Verbesserung der Teileleistung anstelle von Druckanpassungen frei wird.

Abbildung 1 – Simulation der Druckausrichtung

Die Ausrichtung kann sich auch bei planaren Druckverfahren auf die Festigkeit eines Bauteils auswirken. Wenn sich eine spannungskonzentrierende Struktur versehentlich an einer Schichtgrenze ausrichtet, kann die Gesamtfestigkeit steil abfallen. Auch wenn dies von einem erfahrenen Benutzer in Betracht gezogen werden kann, verringert die Simulation die AbhĂ€ngigkeit von solch hochspezifischem Wissen und ermöglicht es, mehr Zeit fĂŒr die Leistung der Komponenten zu verwenden.

Druckpfade

Bei den traditionellen, subtraktiven Prozessen ist die Programmierung der FertigungsvorgĂ€nge unabhĂ€ngig von der verwendeten Fertigungsmethode entscheidend fĂŒr die EndqualitĂ€t. Die Bearbeitung erfordert die richtige Drehzahl zum Planschleifen, die Jog-Geschwindigkeit, um Materialstopps zu vermeiden, und die verfĂŒgbaren Anstellwinkel fĂŒr Schnitte können die herstellbaren Geometrien stark beeinflussen. Auch Additive erfordert Einblicke in den Druckbetrieb, jedoch aus unterschiedlichen GrĂŒnden. Überlappende Druckschichten ohne angemessene KĂŒhlung können zu ĂŒbermĂ€ĂŸigem Schmelzen fĂŒhren, die zum FĂŒllen verwendeten Muster können die Festigkeit in verschiedene Richtungen ungleichmĂ€ĂŸig beeinflussen und sogar die Verwendung oder das Fehlen von StĂŒtzstrukturen kann die endgĂŒltige LebensfĂ€higkeit eines Drucks beeintrĂ€chtigen.

Der grĂ¶ĂŸte Unterschied zwischen traditionellen Herstellungsverfahren und AM ist jedoch die Benutzererfahrung. Im Vergleich zu jahrzehntelanger Erfahrung mit subtraktiven Technologien haben Anwender von additiven Maschinen nur wenige Jahre, um die Auswirkungen bestimmter Maßnahmen auf die EndqualitĂ€t des Teils zu verstehen. Dies wird durch die Vielfalt und KomplexitĂ€t gedruckter Geometrien noch verstĂ€rkt. Aus diesem Grund setzen so viele Unternehmen Simulationstools ein, um als Wissensvermittler zu fungieren.

Abbildung 2 – Mehrachsendruck kann die Schwerkraft nutzen, anstatt die Verzerrungen zu berĂŒcksichtigen

Verschiedene Drucksimulationen ermöglichen es Benutzern, eine Vielzahl von AnsĂ€tzen zu erkunden, ohne die Endkosten der Teile ernsthaft zu beeintrĂ€chtigen. FĂŒr neue Benutzer kann es ein fantastisches Schulungstool sein, um schnell Wissen darĂŒber zu erlangen, wie sich verschiedene Eingaben in den Druckprozess auf den endgĂŒltigen Druck auswirken können. Es ist auch fĂŒr erfahrene Benutzer wertvoll, wenn sie ihr Wissen zum Drucken komplexerer Strukturen oder bei der EinfĂŒhrung einer neuen Drucktechnologie oder eines neuen Materials vertiefen. Anstatt bei Null anfangen zu mĂŒssen, bietet die Drucksimulation ein Erdgeschoss fĂŒr Wissen.

Der Nutzen der Drucksimulation beschrĂ€nkt sich nicht nur auf planare Drucktechnologien. Da immer mehr Unternehmen fortschrittliche Drucktechnologien wie Mehrachsen- und Hybriddruckmaschinen einsetzen, werden die richtigen Simulationstools auch einen reibungslosen Übergang in die QualitĂ€tsproduktion ermöglichen. Hier können die Ablagerungspfade dreidimensional sein und die Schwerkraft kann verwendet werden, um den Druckprozess zu unterstĂŒtzen. UnabhĂ€ngig von der Drucktechnologie sind verschiedene Simulationstechniken Ă€ußerst wertvoll, um die DruckqualitĂ€t des ersten Artikels effizient zu erreichen.

ErmĂŒdungsverhalten der Komponenten

Gefertigte Bauteile werden einer Vielzahl unterschiedlicher Belastungsszenarien ausgesetzt. Statische Belastung ist normalerweise die erste Art von Stress, an die die Leute denken, und wenn ein Bauteil die maximale Belastung nicht ohne Ausfall halten kann, ist es aus gutem Grund an der Zeit, ans sprichwörtliche Reißbrett zurĂŒckzukehren. GlĂŒcklicherweise ist dies bei additiv gefertigten Teilen bei der Verwendung von Simulationen kein Problem. Immer mehr AM-Teile werden mit Hilfe der Topologieoptimierung konstruiert, um ein optimiertes Teil zu schaffen, das den erforderlichen Belastungen standhĂ€lt.

Abbildung 3 – Metallproben nach einem nicht bestandenen Belastungstest

Ein Problem, das Ingenieure jedoch nachts wach hĂ€lt, ist die ErmĂŒdungsleistung. Teile sind möglicherweise fĂŒr den maximalen Belastungszustand qualifiziert, aber halten sie wiederholtem Be- und Entladen stand?

Industrielle Anwender von AM verlassen sich auf Simulationen, um die LebensfĂ€higkeit ihrer Komponenten im Laufe der Zeit zu bewerten, anstatt Teile zu drucken und sie ĂŒber lange ZeitrĂ€ume mit herkömmlichen Methoden zu testen. Die vielen AM-Prozessparameter erzeugen eine lokale VariabilitĂ€t des Materialzustands im gedruckten Bauteil, was zu lokalisierten ErmĂŒdungseigenschaften fĂŒhrt. Diese VariabilitĂ€t macht die ErmĂŒdungsanalyse sehr anspruchsvoll, aber neuartige Simulationstechnologien ĂŒberwinden diese HĂŒrde. Die VerknĂŒpfung von AM-Prozessbedingungen mit einer genauen ErmĂŒdungsvorhersage ermöglicht eine geschĂ€tzte ErmĂŒdungsleistung fĂŒr das 3D-gedruckte Bauteil. Dies ist aus zwei GrĂŒnden Ă€ußerst wichtig fĂŒr den Endwert der additiven Fertigung. Anstatt wochenlang darauf zu warten, dass Teile ihr Testprogramm abgeschlossen haben, können die Ergebnisse innerhalb von Tagen oder sogar Stunden geliefert werden. Aber es macht auch die Notwendigkeit mehrerer Drucke fĂŒr eine möglicherweise einzigartige Komponente ĂŒberflĂŒssig, bei der zusĂ€tzliche Drucke die Gesamtkosten des Teils schnell erhöhen.

Die additive Fertigung ist eine erstaunliche Technologie, aber ihre effektive Nutzung erfordert das VerstĂ€ndnis der Feinheiten dieses relativ neuen Druckverfahrens. In der Vergangenheit erforderte der Prozess des Erwerbs erweiterter Kenntnisse ĂŒber einen Herstellungsprozess spezielle Erfahrung auf diesem Gebiet, aber die LeistungsfĂ€higkeit und Allgegenwart der Simulation verĂ€ndert diese Dynamik.

Simulation kann als Trainingswerkzeug fĂŒr AM dienen und ermöglicht mit relativ geringem Zeitaufwand viel mehr Erfahrung im Prozess. Das Testen in einem virtuellen Raum bietet Ingenieuren, Designern und Herstellern die Möglichkeit, mit minimalen Konsequenzen zu scheitern. Anstatt teure Rohstoffe zu verschlingen und wertvolle Produktionszeit fĂŒr einen fehlgeschlagenen Druck zu verschwenden, liegen die Hauptkosten der Simulation in der Rechenzeit. Simulation wird fĂŒr Unternehmen immer wichtiger, die den Erfolg der additiven Fertigung fĂŒr industrielle Anwendungen beschleunigen möchten.

Über den Autor:

Ashley Eckhoff ([email protected]) ist Experte im Additive Manufacturing Program fĂŒr den Bereich Manufacturing Engineering von Siemens Software. Er hat einen technischen Hintergrund und ist seit ĂŒber 20 Jahren in verschiedenen Funktionen bei Siemens. Er hat mehrere Jahre intensiv in die additive Fertigung eingetaucht, sowohl in Produktdesign- als auch in Marketingfunktionen.

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