Additive-Fertigunganwenderreportage
Mit Ansys Additiv Science zu zuverlässiger Materialqualifizierung
Der 3D-Metall-Druck macht ständig Fortschritte. Dieser Erfolg beruht vor allem auf neuen Materialien und einem immer besseren Verständnis von Materialeigenschaften und Maschinenparametern. Da die physikalischen Vorgänge bei der Additiven Fertigung komplex und nicht direkt beobachtbar sind, ist die Simulation ein wichtiges Werkzeug, um schnell und ohne viele Fehlversuche zum gewünschten Teil zu kommen. In der Lösungssuite für Additive Fertigung von Ansys ist das Modul Additive Science dafür zuständig, neue Materialien so aufzubereiten, dass die Additive Fertigung gelingt. Von Ralf Steck, freier Fachjournalist
Neue Materialien in der AF müssen qualifiziert und entsprechende Parametersets für die Verarbeitung entwickelt werden.
Infos zum Anwender
Die Rosswag GmbH ist hauptsächlich unter dem Namen Edelstahl Rosswag bekannt für die über 100-jährige Erfahrung beim Umgang mit Metallwerkstoffen. Gegründet im Jahr 1911 ist der familiengeführte Betrieb mit über 200 Mitarbeitern einer der weltweit führenden Anbieter für Freiformschmiedeprodukte bis 4,5 t Stückgewicht, die in einer ganzheitlichen Prozesskette firmenintern gefertigt werden.
Die im Jahr 2014 gegründete Division Rosswag Engineering erweitert das Produktportfolio um Ingenieurdienstleistungen und innovative Fertigungsverfahren. Die Eingliederung des additiven Fertigungsverfahrens Selektives Laserschmelzen (SLM) ermöglicht die Herstellung funktionsoptimierter, metallischer Bauteile ergänzend zum Schmiedebetrieb. Das über Jahrzehnte aufgebaute Know-how im Bereich der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik dient in Verbindung mit der ganzheitlichen, firmeninternen Prozesskette als Grundlage, um den Zukunftsbereich auf- und auszubauen. Die im Unternehmen integrierte Abteilung der Additiven Fertigung wurde im Jahr 2017 um die firmeninterne Metallpulverherstellung für die Materialentwicklung ergänzt.
Beim LPBF-Verfahren (Laser Powder Bed Fusion) wird ein Laserstrahl über eine dünne Schicht Metallpulver, je nach Parameterwahl zwischen 20 µm und 100 µm dick, gelenkt. Dabei schmilzt er die Pulverpartikel nur lokal an den Stellen auf, wo das Bauteil entstehen soll. Dann wird eine weitere Schicht Pulver aufgetragen und wiederum an den gewünschten Stellen verfestigt. Allerdings sind sehr hohe Temperaturen notwendig, um Metall zu schmelzen – bei Aluminium um die 650 – 700° C, bei Edelstahl 1.300 – 1.500° C.
Mit den richtigen Materialparametern, die anhand von Simulationen schnell und zielsicher ermittelt wurden, wird der Druckprozess optimiert.
Parametervielfalt in den Griff bekommen
Dabei muss der Mikroschweißprozess speziell bei filigranen Geometrien sehr gut gesteuert werden, um die Details drucken zu können. Diese punktuell eingebrachten Temperaturspitzen erzeugen jedoch beim anschließenden Abkühlen hohe Spannungen im Material. Die Maschinenparameter – wie Laserintensität und -geschwindigkeit und die Abstände der Schweißbahnen voneinander, aber auch die Temperaturführung der Baukammer oder die Art des Inertgases in der Kammer – haben großen Einfluss auf das Druckergebnis. Ebenso wichtig ist die Druckvorbereitung mit Positionierung und Orientierung der Druckteile, Stützstrukturen sowie vielen andere Einflussgrößen.
Ansys bietet Werkzeuge für beide Bereiche, Additive Science für die Entwicklung von werkstoffspezifischen Maschinenparametern und Additive Print für die Druckvorbereitung, -simulation und -analyse. Bei der Entwicklung neuer Materialparametersets setzen verschiedene Unternehmen auf die Softwarelösungen von Ansys, darunter die Simulationsspezialisten von Cadfem in Grafing oder die Metall-3D-Druck Experten von Rosswag Engineering, einer Division der mittelständischen Rosswag GmbH in Pfinztal nahe Karlsruhe.
Mit neuen Methoden und Verfahren lässt sich die Werkstoffqualifizierung in wenigen Wochen durchführen.
Bei der Optimierung des 3D-Druckprozesses sind vielfältige Parameter zu berücksichtigen.
Simulation versus Trial & Error
Um ein neues Material für die Verarbeitung in LPBF-Maschinen zu qualifizieren, muss eine Vielzahl von Prozessparametern erarbeitet und definiert werden. Früher dauerte dieser Vorgang sehr lange, weil die Prozessparameter per Trial-and-Error mühsam erkundet wurden. Der Materialentwickler druckte Dutzende von Proben, die dann mit den Mitteln der Metallurgie – Zugprobe, Gefügeuntersuchungen und vieles mehr – untersucht wurden, um die Druckparameter zu optimieren. Dann folgte die nächste Druckversuchsreihe, weitere Untersuchungen und so weiter. Da die Parameter sich gegenseitig beeinflussen und die Abläufe beim Druck nur mittelbar beobachtet werden können, war dies ein sehr langwieriger Prozess.
Hier bietet die Simulation unschätzbare Vorteile, weil sie es ermöglicht, aus wenigen bekannten Eigenschaften sinnvolle Parametersets herzuleiten, die dann wiederum die Basis für physikalische Versuche und die weitere Optimierung der Parameter bilden. Ansys Additive Science unterstützt diesen iterativen Prozess aus Simulation und Test.
Startpunkt der Parametersuche mit Simulation sind physikalische Werte wie Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Solidus- und Liquidustemperatur. Auf Basis dieser Parameter, die sich in der Literatur und in Materialdatenblättern finden, kann Additive Science Basisparameter berechnen. In einer sogenannten Single Bead-Parameterstudie werden mit unterschiedlichen Parametern einfache, gerade Schweißnähte im Pulverbett erzeugt. In weiteren Versuchen legt der Laserstrahl Bahnen in unterschiedlichen Abständen und wiederum variierten Parametern nebeneinander. An diesen Proben analysiert der Anwender die Verbindung zwischen diesen Bahnen beziehungsweise die Porosität der Schicht.
Mit neuen Materialien können Mehrwerte im Werkstoffgefüge des Bauteils geschaffen werden, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht darstellbar sind.
Optimieren statt probieren
Additive Science nutzt die Ergebnisse dieser Versuche, um mit Hilfe der Funktion Material Tuner den im Hintergrund arbeitenden Thermal Solver mit den Ergebnissen der realen Tests anzupassen. So lassen sich die Ergebnisse der Simulation den realen Ergebnissen sehr genau angleichen. Auf Basis der in der Simulation gewonnenen, gewissermaßen getunten Maschinenparameter können dann weitere Tests gedruckt und deren Ergebnisse wiederum genutzt werden, um die Repräsentierung des Materials in der Simulation weiter zu perfektionieren – fundierte Optimierung statt Trial-and-Error. Mit diesen optimierten Materialparametern ist nun Additive Print in der Lage, den Druckprozess optimal zu simulieren.
Ansys Additive Science hilft Firmen wie Rosswag, mit Hilfe des beschriebenen, iterativen Prozesses neue LPBF-Materialien zu qualifizieren und nutzbar zu machen. Daraus resultierten in den letzten Jahren bei Rosswag über 30 neue Werkstoffe, die im additiven Fertigungsprozess auf Basis der ganzheitlichen und firmeninternen Prozesskette verarbeitet wurden. Cadfem wiederum unterstützt die Dienstleister mit Softwarelizenzen und Seminaren zu diesem Verfahren. Darüber hinaus bietet Cadfem Consulting an, um gemeinsam mit dem Kunden die richtige Anwendung sowie den Einstieg in den Metall-3D-Druck zu finden.
Neue Materialien erweitern die Einsatzbereiche von 3D-gedruckten Metallteilen in bisher ungeahntem Maße. So können noch mehr Unternehmen die Freiheit der Formgebung, die sich mit additiven Methoden eröffnet, nutzen.
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