Intuitives & kosteneffizientes additives Fertigungsverfahren – Laser-Pulverbettfusion (LPBF)

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Intuitives & kosteneffizientes additives Fertigungsverfahren – Laser-Pulverbettfusion (LPBF)

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Ingenieure des Industrial Technology Research Institute haben eine Simulations-App entwickelt, mit der sich das Resultat des­ Laser-Pulverbettfusionsverfahrens, eines additiven Fertigungsprozesses, vorhersagen lässt. Dies spart bei Taiwan Innovative Space viel Zeit und Geld.
LPBF

Quelle: Kyrylo Glivin/shutterstock

Das Industrial Technology Research Institute (ITRI) in Taiwan bietet der Taiwan Innovative Space (TiSPACE) 3D-Druck-Dienstleistungen als Original Design Manufacturer (ODM) für Redesigns und Simulationen. Am ITRI begann der 3D-Druckprozess (LPBF) einer Kraftstoff­einspritzkomponente für die Verwendung in TiSPACE-Hybridraketentriebwerken zunächst vielversprechend.

Der Weg zum Ziel

Der Laser verschmolz die erste Pulverschicht auf der Bauplatte, der Recoater trug die nächste Pulverschicht auf, die der Laser dann wiederum verschmolz. So ging der Aufbau Schicht für Schicht weiter, bis der Recoater plötzlich stoppte: Die Hitze des Lasers hatte einen Temperaturgradienten im Material verursacht, was zu einer Verformung der Schichten und schließlich zum Verklemmen des ­Recoaters führte. Der gesamte Prozess brach ab, aber die Ingenieure versuchten es erneut. Dieses Mal wurde der Vorgang zwar abgeschlossen, aber das Endergebnis war ein unbrauchbar verformter Injektor. Die Gruppe versuchte es ein drittes und ein viertes Mal – aber ohne Erfolg.

Intuitives und kosteneffizientes additives Fertigungsverfahren: LPBF

Laser-Pulverbettfusion (LPBF) ist eine Form der additiven Ferti­gung (AM), bei der ein Laser das Pulver schmilzt und verbindet. Dabei wird eine etwa 30-50 µm dünne Material­schicht auf einer Bauplattform aufgetragen. Ein Laser verschmilzt die erste Schicht des Modells, und dann verteilt eine Walze oder ein Recoater die nächste Schicht Pulver über der vorherigen, bis das komplette Teil aufgebaut ist.

Zu den Herausforderungen beim LPBF-Verfahren zählen die stark lokalisierte Laser­erwärmung, die zu großen thermischen Gradienten im Material führt und Restspannungen sowie Verformungen verursachen kann, was letztendlich sogar den Recoater verklemmen und zum Abbruch eines Fertigungsprozesses führen kann. Wenn die Maschine klemmt und den Bauprozess abbricht, muss man den Prozess neu starten, was Zeit und Geld kostet; doch bereits geringere Verformungen des fertigen Teils können es unbrauchbar machen.

LPBF für die Herstellung von Raketentriebwerkskomponenten

ITRI untersuchte den LPBF-Prozess, um seine Kosten- und Zeitvorgaben mit gut gefertigten Endprodukten in Einklang zu bringen. Forscher des AM System Innovation Department, des Laser and Additive Manufacturing Technology Center (LAMC) und des ITRI, darunter die Ingenieure Wai-Kwuen Choong und Tsung-Wen Tsai sowie der Manager Steven Lin, optimieren das LPBF-Verfahren für die Herstellung einer 3D-gedruckten (3DP) Injektorkomponente für TiSPACE-Hybridraketentriebwerke (Abbildung 1). „Der komplexe interne Strömungskanal und die konsolidierten Komponentenmerkmale dieses Teils machen es zu einer hervorragenden Demonstration für die LPBF-Technologie“, erläutert Wai-Kwuen Choong.

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Die 3D-gedruckte Injektorkomponente für TiSPACE-Hybrid­raketentriebwerke wurde im LPBF-Ver­fahren hergestellt. Bild: ITRI

In einem Teil dieser Größe, in der Regel etwa 110 x 110 x 170 mm, ist die Akkumulation von thermischen Spannungen unvermeidlich. Die Verformung kann zum Verklemmen des Recoaters und zum Abbruch des Systems führen, was bei der Injektorkomponente der Fall war.

Vorhersage zukünftiger Ergebnisse mit mechanischer Modellierung

Typischerweise wird das Ergebnis des LPBF-Prozesses mit vereinfachten Faustregeln, wie der 45-Grad-Regel, und Trial-and-Error-Methoden vorhergesagt. Statt Faustregeln nutzt das ITRI die Simulationssoftware Comsol Multiphysics, um die Eigenspannung und Verformung des hergestellten Teils vorherzusagen (Abbildung 2).

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Abbildung 2: Simulation des LPBF-Herstellungsprozesses beim 3DP-Injektor. Bild: ITRI

Das Team nutzte das Solid Mechanics Interface im Structural Mechanics Module, um eine thermomechanische Analyse durchzuführen, die auf der Methode der inhärenten Dehnung basiert. Damit ist es möglich, die Eigenspannung und Verformung im gefertigten Teil abzuschätzen. Die auf die additive Fertigung spezialisierte Activation-Funktion in der Comsol-Software ist perfekt geeignet für die Modellierung der sich wiederholenden, schichtweisen Auftragung und Verschmelzung beim LPBF-Verfahren. Das Optimization Module wurde genutzt, um die Teileausrichtung und die Stützstruktur des Bauteils während des Aufbaus zu optimieren.

Das ITRI-Team nutzte die Simulation, um die Spannungs- und Verformungsergebnisse während des LPBF-Prozesses erfolgreich vorherzusagen. Es gab aber immer noch ein Problem: Die Fertigungsingenieure der AM-Anlage, die den LPBF-Prozess einsetzen, haben in der Regel keine Simulationserfahrung. Einen Simulationsspezialisten dafür zu engagieren, würde den Zeit- und Kostenaufwand für das Projekt wieder erhöhen. Was gab es für Alternativen?

Einführung der ITRI AMSim App

Das Team entwickelte eine Simulations-App (Abbildung 3) mit einer intuitiven Benutzeroberfläche und spezialisierten Ein- und Ausgaben aus dem LPBF-Modell und nannte sie „ITRI AMSim App“. Mithilfe des integrierten ­Application Builders lassen sich Apps aus Modellen in Comsol Multiphysics erstellen. Die Simulations-App enthält Eingaben für eine STL-Datei, ein elastisches oder elastoplastisches Modell (verfügbar mit dem Nonlinear Structural Materials Module) und die Möglichkeit, die Simulation des Schneidprozesses oder die Entfernung der Grundplatte zu aktivieren oder zu deaktivieren. Sie ermöglicht außer­dem eine Auswahl von fünf verschiedenen Pulvermaterialien (Titan-, CoCrMo- und Aluminiumlegierungen sowie Stahl). Die Ausgaben der App sind die Ergebnisse, die die Verfahrenstechniker vor Ort benötigen, zum Beispiel die Deformation und Eigenspannungsverteilung während der Bauphase und nach dem Schneiden.

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Abbildung 3: Die ITRI AMSim App bietet eine intuitive Benutzeroberfläche. Bild: ITRI

Die App wurde mit Comsol Compiler zu einer eigenständigen ausführbaren Datei kompiliert und an die Prozessingenieure verteilt. Die Anwendung lässt sich ohne eine Comsol-Multiphysics- oder Comsol-Server-Lizenz ausführen. Tatsächlich lizenzierte das ITRI-Team die App nach eigenem Ermessen und hat sie den Anwendern für einen dreimonatigen Test angeboten.

Auf die Frage nach den Vorteilen von Simulations-Apps für das gemeinsame Projekt von ITRI und TiSPACE antwortete Choong, dass die Vorteile in der Zeit- und Kostenersparnis liegen und fügte hinzu: „Alles drehte sich um die Kostenfrage.“

Zeit- und Kostenersparnis mit Apps

Vor der Entwicklung und dem Einsatz von AMSim wurde der Bau des 3DP-Injektors bei TiSPACE viermal mit Trial-and-Error-Methoden gestartet und wieder abgebrochen. Jedes Mal schlug der Prozess fehl, entweder klemmte der ­Recoater oder das Teil brach. Nach der Einführung von AMSim verringerte sich der gesamte Zeitaufwand für das Testen des Prozesses um ­75 Prozent. Die Simulations-App ermöglichte es dem Team, einen risikoreichen Bereich des Bauteils vorherzusagen und dem Design mehr Unterstützung zu bieten. Dies führte zum Erfolg: Das Durchlaufen des physischen AM-Prozesses zum Testen des Bauteilaufbaus dauert etwa eine Woche, während für die Simulation mit der App weniger als eine Stunde benötigt wird.

Vergleicht man die Arbeits-, Maschinen- und Materialkosten der Versuche mit den Kosten für den Betrieb der Simulations-App, ergibt sich eine Kostenersparnis von 83,3 Prozent. Im direkten Zeitvergleich zwischen der virtuellen und der realen Fertigung eines 3DP-Injektors beträgt die Zeitersparnis sogar satte 99 Prozent.

Der Autor Brianne Christopher ist Senior Content Manager bei COMSOL.

Lesen Sie auch: Metall-3D-Druck: So ergänzen sich direkte und indirekte Verfahren

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