Home Forschung & Bildung Mit Simulationen den Metall-3D-Druck wirtschaftlicher realisieren

Mit Simulationen den Metall-3D-Druck wirtschaftlicher realisieren

Im industriellen 3D-Druck mit Metall ist der SLM-Prozess (Selective Laser Melting) ein populäres Verfahren. Bei der Herstellung von Bauteilen durch das Verfahren kann es zu Verzug und Eigenspannungen kommen. An der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften wurde daher von den Maschinentechnik-Absolventen Gabriel Brändle und Andreas Schönenberger eine Forschungsarbeit zu Simulationen des Prozesses erarbeitet.

Komplexe Bauteile können ohne aufwändige Gussformen mit dem 3D-Druck erstellt werden. Gerade für kleinere Stückzahlen ist der 3D-Druck daher wirtschaftlich. Durch das Schmelzen des Pulvers und das anschließende Abkühlen sind jedoch Bauteilverzug, innere Spannungen oder gar Rissbildung möglich, was zu teurem Ausschuss führen kann. Bisher arbeitet die Industrie hauptsächlich mit Erfahrungswerten und passt die Produktion entsprechend an – im Nachhinein.

Die zwei Wissenschaftler haben daher einen Blick auf die Simulationslösungen ANSYS Additive Print und ANSYS Additive Suite geworfen. Die Programme sind so konzipiert, dass sie den 3D-Druckprozess für Metall simulieren, in der Hoffnung, Fehler vor der Herstellung von Teilen zu erkennen. Dadurch ist es möglich schon vor dem Druckprozess die Einstellungen zu optimieren. Gabriel Brändle und Andreas Schönenberger haben ausgewertet, wie gut die Software die Realität abbildet.

Die Prozesssimulation haben die Absolventen für eine Radschwinge angewendet. Diese wurde am ZHAW-Institut für Mechanische Systeme (IMES) auf Basis eines realistischen Belastungsfalls in einem Raupenfahrzeug topologieoptimiert, um Gewicht einzusparen. In ihrer Bachelorarbeit sollten die Absolventen nun vor der Herstellung des Bauteils mit der Simulation überprüfen, ob der Verzug des Bauteils im Rahmen bleibt oder gegebenenfalls die Stützstrukturen anzupassen sind. Durch den Vergleich von Messung und Simulation konnten sie das Programm validieren.

Auch die Wirtschaftlichkeit haben die Absolventen untersucht und dabei festgestellt, dass sich eine Simulation des SLM-Prozesses auszahlt, wenn das Bauteil nach dem zweiten erfahrungsbasierten Optimierungsschritt die Vorgaben noch immer nicht einhält.

In der Arbeit „Simulation and validation of residual deformations in additive manufacturing of metal parts“ findet man weitere Information zu diesem Thema. Thomas Mayer, Gabriel Brändle, Andreas Schönenberger und Robert Eberlein werden als Autoren genannt.

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David ist Redakteur bei 3Druck.com.