Metall-3D-Druck Simulationstechnologie: Neues Modul standardmäßig im Update integriert

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Durch die Kombination der Simulationstechnologie von Ansys mit dem Fachwissen von Materialise im Bereich der additiven Fertigung bietet das Modul eine Lösung, die speziell auf die Anforderungen des Metall-3D-Drucks zugeschnitten ist. Es hilft, Produktionsfehler durch Simulation des Metall-AM-Bauprozesses zu reduzieren.

In der additiven Fertigung stehen Hersteller vor Herausforderungen, die sowohl die Prozessqualität als auch die Integrität der Endprodukte betreffen. Zu den häufigen Problemen gehören Verformungen der Teile während und nach dem Druck. Durch schnelle Temperaturwechsel sowie ungleichmäßiges Abkühlen der Materialien entstehen thermisch induzierte Eigenspannungen, die in Rissbildung oder Verformungen resultieren können. Dieses kann dazu führen, dass die Teile hinsichtlich Funktionalität und Passgenauigkeit von geforderten Toleranzen abweichen.

Integration von Simulationstechnologie

Risiken entstehen beispielsweise durch den Kontakt des Recoaters mit dem gedruckten Teil, was zu Beschädigungen und Unterbrechungen des Druckprozesses führen und Maschinenstillstandzeiten zur Folge haben kann. Eine weitere gängige Herausforderung ist die Entstehung von sichtbaren Versatzlinien, die aufgrund der Schrumpfung des Materials beim Abkühlen entstehen. Sie sind nicht nur ein ästhetisches Problem, das in der Nacharbeit aufwändig behoben werden muss, sondern beeinträchtigen auch die mechanischen Eigenschaften des fertigen Teils.

„Die Integration von Simulationen in den AM-Arbeitsablauf bietet zahlreiche Vorteile. Sie ermöglicht eine präzise Risiko­bewertung großer Teile und komplexer Designs, indem sie auf unerwartete Verformungen und Baufehler frühzeitig hinweist,“ erklärt Marcus Joppe, Geschäftsführer bei Materialise. „So können Hersteller sicherstellen, dass die fertigten Teile innerhalb der vorgegebenen Toleranzen bleiben und die Produktionsqualität konstant hoch ist. Die Simulation dient als ideales Validierungstool für die Datenvorbereitung, sodass gezielte Verbesserungen vorgenommen werden können.“

Nahtloser Workflow der Simulationstechnologie ohne Softwarewechsel

Das Simulationsmodul von Materialise basiert auf markterprobter Simulationstechnologie von Ansys. Der Technologie liegt die schichtweise Berechnung mittels kalibrierter inhärenter Dehnungen zu Grunde. Softwarewechsel sind nicht notwendig, weil die Simulationsergebnisse direkt in der Druckvorbereitungssoftware Magics angezeigt werden. Dies fördert die reibungslose Handhabung und ermöglicht schnelle Lernerfolge.

Durch die Vorhersage und Vermeidung von Baufehlern lassen sich Produktionskosten senken und die First-Time-Right-Quote steigern. Das Modul hilft, über die Verformungsanalyse optimale Orientierungen und Supportanbindungen zu identifizieren, was den Nachbearbeitungsaufwand reduziert und die Produktionszeit verkürzt.

Supports gezielt anbringen

Das Simulationsmodul bietet verschiedene Werkzeuge, mit denen sich Verzugs-, Spannungs- oder Wärmeprobleme identifizieren und beheben lassen. Ein leichter Basis-Support wird durch das Hinzufügen einiger massiver Strukturen gezielt verbessert, um relevante Bereiche zu stabilisieren. Die Verformung wird in Magics dargestellt und mit der richtigen Ausrichtung zusätzlicher Tree-Supports behoben.

Die Ansys-Technologie bietet insbesondere bei der thermischen Simulation große Performance-Verbesserungen, sodass Ergebnisse innerhalb von Minuten möglich sind. Durch das gezielte Anbringen von Supports kann die Wärme dort abgeleitet werden, wo ein hohes Risiko für Überhitzungen besteht, die Anzahl der schwer zu entfernenden Supportstrukturen jedoch insgesamt reduziert werden.

Kompensation ohne Stützstrukturen

Ein weiterer Vorteil ist die geometrische Kompensation von Verformungen ohne zusätzliche Stützstrukturen, was den Druckprozess weiter optimiert. Die Kompensation ist ein Werkzeug, um die geforderten Genauigkeiten im 3D-Druckprozess sowie die gestiegenen Kundenanforderungen zu erfüllen. Das Update verformt die Supports passend zum Bauteil, sodass der Druck ohne zusätzlichen Vorbereitungsaufwand möglich ist.

Ansys hat mit seiner Software-Lösung die Grenzen der virtuellen Produktentwicklung erweitert. Die Simulation ermöglicht Ingenieuren, komplexe Produkte und Systeme in einer virtuellen Umgebung zu analysieren und zu optimieren. Die Software bietet verschiedene Simulationsfunktionen, darunter Strukturanalyse, Strömungsmechanik, Elektromagnetik und thermische Analyse. Diese Vielfalt ermöglicht es Ingenieuren, präzise Vorhersagen über das Verhalten ihrer Produkte unter realen Betriebsbedingungen zu treffen.

„Mit der Integration des Ansys-Solver werden die Simulationsergebnisse bereits in der Betaphase deutlich sichtbar und verbessern das ohnehin erstaunliche Ergebnis des bisherigen Simulationsmoduls. Die mechanische Simulation wird bis zu 15 Prozent schneller und die thermische Simulation sogar um 95 Prozent, was einer zwanzigfachen Beschleunigung entspricht,“ berichtet Jan-Patrick Jürgens, Software Product Owner bei Materialise.

Das Simulationsmodul wird von Materialise auch in der eigenen Produktion in Bremen, insbesondere zur Risikoanalyse von großen und damit teuren Komponenten eingesetzt. „First-Time-Right steht bei uns immer im Fokus und seit dem strukturierten Einsatz des Simulationsmoduls sind wir diesem Ziel sehr nahegekommen”, erklärt Sebastian Zachaus, Produktionsleiter Manufacturing bei Materialise, und er ergänzt: „Wir konnten in den hohen Preiskategorien eine Ausschussreduktion um bis zu 90 Prozent erzielen.“

Simulationstechnologie: Workflow optimieren

Die Integration des Ansys-Solvers in Magics markiert den Beginn einer vielversprechenden Zusammenarbeit. Oft arbeiten Designingenieure und Produktionsingenieure in getrennten Abteilungen und verwenden unterschiedliche Software, was zu ineffizienten Arbeitsabläufen und dem Verlust wertvoller Metadaten durch den manuellen Dateiaustausch führt. Ziel dieser Zusammenarbeit ist es, den gesamten Workflow von der Konstruktion bis zur Produktion zu optimieren und die Zusammenarbeit zwischen den Abteilungen nahtloser zu gestalten.

Die Autorin Kristina Steiger ist Regional Marketing Specialist bei Materialise.