Additive Fertigungssimulation

Additive Fertigungssimulation

Lange wurde die additive Fertigung vor allem für die Herstellung von Prototypen eingesetzt. Im Lauf des vergangenen Jahrzehnts hat sie auch in Produktionsprozessen Fuß gefasst. Für eine erfolgreiche Industrialisierung müssen bei Methoden wie dem selektiven Laserschmelzen aber bestehende Einschränkungen hinsichtlich Qualität und Produktivität überwunden werden. Genau das ist Bosch Research mittels exakter numerischer Strömungssimulationen gelungen.

Was bedeutet „Additive Fertigung“?

Traditionell werden Teile subtraktiv gefertigt – das heißt, die finale Form eines Bauteils wird aus einem größeren Materialblock herausgearbeitet. Bei der additiven Fertigung (Additive Manufacturing, AM) werden die Bauteile hingegen durch das präzise Übereinanderlegen mehrerer Materialschichten hergestellt. Es gibt zahlreiche verschiedene additive Fertigungsverfahren. Eines davon ist das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM), das in der Industrie häufig zur Produktion von Metallteilen genutzt wird.

Additive Fertigungstechnologien sind zwar noch nicht im selben Maße industrialisiert wie herkömmliche Methoden, bieten jedoch einige bedeutende Vorteile.

Mithilfe von SLM können beispielsweise Teile mit winzigen Strukturen, Komplexität und Dichte aus einer Vielzahl von Metalllegierungen hergestellt werden. Außerdem lassen sich die Bauteil-Konstruktionsdateien hinsichtlich Funktionalität und Herstellbarkeit weitaus umfassender optimieren, als es bei subtraktiv gefertigten Designs möglich ist.

Um die Industrialisierung des selektiven Laserschmelzens weiter vorantreiben zu können, müssen aber noch einige komplexe Herausforderungen überwunden werden.

3D-Druck

3D-Druck – eine weitläufig verwendete Bezeichnung für die additive Fertigung – beschreibt verschiedene Prozesse, bei denen ein dreidimensionales Objekt durch Übereinanderlegen von Materialschichten aufgebaut wird.

Dem Laser die Bahn frei machen

Beim SLM wird Metallpulver mithilfe eines sich schnell bewegenden Lasers zum Schmelzen gebracht, um die einzelnen Schichten eines Bauteils detailgetreu aufzubauen. Während der Laserstrahl sich über das Pulver bewegt, geschehen unterschiedliche Dinge: Material wird geschmolzen und gefestigt, Wärme wird übertragen, und im geschmolzenen Metall – oder Schmelzepool – tritt eine Strömung auf. Gleichzeitig werden Emissionen abgegeben. Diese Emissionen können sich als größte Herausforderung erweisen, weil sie den Laserbetrieb stören oder sich im Bauteil festsetzen und so dessen Qualität beeinträchtigen können. Da diese Emissionen unvermeidbar sind, ergibt sich folgende Herausforderung: Wie können wir die Beseitigung der Emissionen kontrollieren und eine hohe Fertigungsqualität sicherstellen?

20,5 Milliarden USD

So groß soll der Markt für additive Fertigung im Jahr 2020 sein.

Die numerische Strömungsmechanik bietet Lösungen

SLM-Prozesskammer
Gasgeschwindigkeitskonturen innerhalb der SLM-Prozesskammer

Die beim SLM-Prozess erzeugten Emissionen werden mit einem Gasströmungssystem beseitigt. Das muss jedoch mit größter Sorgfalt erfolgen – denn wenn man das Gas mit zu hoher Geschwindigkeit wegbläst, wird das zu schmelzende Metallpulver verwirbelt. Daher muss ein genauer Bereich für Gasgeschwindigkeit und -strömung ermittelt werden, in dem Emissionen effektiv beseitigt werden können, ohne dass das Metallpulverbett verwirbelt wird.

Hier kommen die exakten Simulationen der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) ins Spiel. Bosch Research simulierte die Nebenprodukte des Schmelzprozesses, um die Bedingungen innerhalb der Prozesskammer realistisch nachbilden zu können. Anschließend wurde ein Gasströmungssystem simuliert, um eine Lösung zu entwerfen, mit der das Fertigungsproblem überwunden werden kann.

Das selektive Laserschmelzen in verbesserter Form

Dank des neu entwickelten Gasströmungssystems können 99 Prozent der Emissionen ohne Verwirbelung des Pulverbetts beseitigt werden, was zu einer höheren Qualität, sinkenden Kosten und erweiterten Konstruktionsmöglichkeiten führt. Das wiederum bedeutet, dass hochwertige Teile gefertigt werden können, die eine bessere Funktionalität und ein geringeres Gewicht aufweisen und auf kostengünstige Weise angepasst werden können.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der additiven Fertigung ist ihre höhere Nachhaltigkeit. Das Verfahren sorgt für mehr Energieeffizienz, da Bauteilkonstruktionen umgesetzt werden können, bei denen bisher eine Montage erforderlich war. Damit reduzieren sich die Lagerhaltung und der Logistikaufwand sowie auch der Energieverbrauch während der Produktion. Die hohe Materialausbeute bei AM-Prozessen trägt ebenfalls zur Nachhaltigkeit der Fertigungsmethode bei.

Zusammenfassung

Die Industrialisierung additiver Fertigungsverfahren ist mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden. Die beim SLM-Prozess verursachten Emissionen können die Qualität der gefertigten Teile beeinträchtigen. Bosch Research hat mithilfe exakter CFD-Simulationen ein System entwickelt, das eine hervorragende Emissionskontrolle und eine verbesserte Produktqualität ermöglicht.

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