Beulen zuverlässig simulieren

Dünnwandige Bauteile tendieren auch im 3D-Druck zum Ausbeulen. (Bild: Ansys)

Das Bauteil wird mitsamt seiner Stützstruktur in die Simulationssoftware importiert und mit einem Gitter aus vielen kleinen Elementen nachgebildet. Diese Elemente werden mit Randbedingungen und Lasten versehen, um den Druckprozess zu simulieren. Dabei gilt es bei der Größe und Anzahl der Elemente einen Kompromiss zu finden: Viele kleine Elemente ergeben bessere Ergebnisse, aber auch eine längere Rechenzeit. Problematisch sind dabei dünnwandige Bauteile. Diese neigen dazu, sich unter Belastung zu verformen und auszubeulen. Deshalb lohnt es sich einerseits, sie in der Simulation zu überprüfen, andererseits haben viele FEM-Solver große Probleme, solch starke Verformungen zu berechnen und die Simulation bricht deshalb gerne ab – wenn man nicht einige Tricks beachtet.

Keno Kruse, Business Development Manager bei Cadfem.

Zunächst kommt es darauf an, die Voreinstellungen für den Solver richtig zu wählen. Zum einen muss Large Deflection erlaubt werden, damit der Solver die Verformung der dünnen Wand berechnen kann. Zudem sollte die Elemente-Ordnung von Linear auf Quadratic gestellt werden, was die Qualität des Netzes verbessert. Mathematisch gesehen ist es problematisch, wenn eine dünne Wand im Rechengitter beispielsweise nur aus einer Schicht würfelförmiger Elemente besteht. Deshalb sollte man darauf achten, die Auflösung des Rechengitters so zu wählen, dass mindestens zwei oder besser drei Schichten von Elementen in den dünnwandigen Bereichen platziert sind. Besser ist es, ein Netz aus Layered Tetrahedrons zu nutzen. Das ist ein Tetraedernetz, welches einer bestimmten Schichtgröße entspricht. Es erfasst die Geometrie gut und ist nützlich, wenn es organische Kurven, kleine Merkmale wie z. B. Löcher oder dünnwandige Teile gibt. Mit diesem Netz können dünnwandige Bauteile gut und sicher simuliert werden.