Rosswag Ansys Additive Suite: Erweiterung der Werkstoffpalette für die Simulation

Prozesskette zur schnellen Materialqualifizierung bei Rosswag Engineering.

Das Portfolio verfügbarer Metallwerkstoffe für die Additive Fertigung wird durch die große Nachfrage im industriellen Umfeld in den nächsten Jahren weiter zunehmen. Um dabei die Vorteile von AM-Simulationstools wie der Ansys Additive Suite nutzen zu können, muss die Implementierung neuer Werkstoffe in die Simulationssoftware auch für Endanwender ermöglicht werden.

Benötigte Parameter und Kennwerte zur Integrierung neuer Materialien. (Bild: Ansys Inc.)

Möglichkeiten der Ansys Additive Suite

Die Ansys Additive Suite zählt zu den leistungsfähigsten AM Simulationslösungen für die Analyse des Laser Powder Bed Fusion (LPBF oder LBM) Prozesses von Metallwerkstoffen. Über Additive Print können Maßabweichungen und Eigenspannungen von Bauteilen vorhergesagt werden. Somit haben Endanwender die Möglichkeit, Prozessparameter, Bauteilgeometrien und Stützstrukturen bereits im Vorfeld des Fertigungsprozesses zu optimieren. Zum anderen bietet Additive Science eine Möglichkeit der tiefgreifenden Analyse des Schmelzprozesses. Auf der Basis von angegebenen Prozessparametern können Simulationen zum Schmelzbad und der daraus resultierenden Porosität, Mikrostruktur und thermischen Historie im Bauteil durchgeführt werden. Umfassende Parameterstudien lassen sich so effektiv, zeit- und kostensparend umsetzen.

Weitaus aufwendiger ist die experimentelle Validierung des ersten Materialmodells: Singlebead-, Mikrostruktur- und EBSD-Analysen.

Qualifizierung neuer Werkstoffe

Rosswag Engineering wird als kompetenter Entwicklungspartner mit komplexen Kundenanforderungen konfrontiert und bietet anschließend über die firmeninterne und ganzheitliche Prozesskette individuelle Lösungen an. So werden meist Werkstoff- und Prozesslösungen für Additive Fertigung im Pulverbettverfahren gefordert, welche derzeit noch nicht – oder nur teilweise existent sind. Hierfür hat Rosswag eine firmeninterne Materialqualifizierungskette etabliert.

Zur weiteren Verkürzung der Qualifizierungszyklen neuer Werkstoffe und zur Optimierung der Werkstoffeigenschaften soll das Additive Science Paket zukünftig eine gewichtige Rolle in der Prozesskette von Rosswag spielen. Entscheidend hierfür ist allerdings, dass der zu qualifizierende Werkstoff mit entsprechenden Materialdaten in der Software auch zur Verfügung steht.

Ist der Werkstoff bereits während der Qualifizierung in die Additive Suite implementiert worden, so können die Möglichkeiten zur Simulation von prozessbedingten Eigenspannungen und Maßabweichungen bei der späteren Prototypen- und Serienfertigung genutzt werden. In Verbindung mit der Ansys Workbench ist sogar die gesamte Prozesskette inklusive CFD & FEM Simulation, Topologieoptimierung und Wärmebehandlung über die simulative Prozesskette abbildbar.

Vorgehensweise zur Implementierung der neuen Werkstoffe

Die enge Kooperation zwischen Ansys und Rosswag zielt auf die erstmalige Implementierung eines neuen Werkstoffs durch einen Endanwender in die Ansys Additive Suite ab. In diesem Fallbeispiel soll der Werkstoff AISI4140 (42CrMo4/ 1.7225) als neues Materialmodell in die Simulationsumgebung integriert werden. Zunächst sind verschiedene thermophysikalische Eigenschaften, wie die Solidus- und Liquidustemperatur aus Literaturquellen oder Experimenten zu ermitteln. Diese Kennwerte liegen für viele Werkstoffe schon vor und können somit vergleichsweise schnell integriert werden. Sind diese Materialkennwerte unbekannt, so ist der Einsatz von Materialsimulationstools wie Thermocalc oder der Zugriff auf experimentelle Daten zwingend erforderlich.

Weitaus aufwendiger ist die experimentelle Validierung des ersten Materialmodells. Über initiale Singlebead-Parameterstudien mit anschließenden Porositäts- und Mikrostrukturanalysen und die Herstellung von Testbauteilen für die Ermittlung der Eigenspannungen und Maßabweichungen können die ersten belastbaren Stützstellen für das Materialmodell erzeugt werden. Die Leistungsfähigkeit des Werkstoffmodells lässt sich über größere Probenmengen bis hin zu EBSD-Aufnahmen weiter optimieren.

Durch die erstmalig erprobte Vorgehensweise ist es zukünftig für Endanwender oder qualifizierte Dienstleister möglich, neue Werkstoffe in die Ansys Prozesssimulation zu integrieren, um damit ganzheitliche Simulationsketten zu realisieren.

Ausblick

Das mittlerweile einmalig umfangreiche Materialportfolio von Rosswag Engineering mit über 35 qualifizierten Werkstoffen wird durch die ergänzende Möglichkeit der Ansys Prozesssimulation eine spannende Dimension hinzugewinnen. Des Weiteren werden experimentell ermittelte Daten zur Implementierung neuer Werkstoffe in die Ansys Additive Suite künftig zum Standard in der Materialqualifizierungsprozesskette. Der Umfang von Experimenten lässt sich damit reduzieren und die Werkstoffperformance wird nachhaltig optimiert.

In Verbindung mit den umfangreichen Möglichkeiten der Ansys Workbench ist die kundenseitige Implementierung neuer Materialien ein weiterer Schritt zur vollständigen und digitalen Abbildung der gesamten AM-Prozesskette.

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