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Lösungen für Verzug im 3D-Druck

Merkle & Partner: Simulation für Funktions-Bauteile

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Durch Temperaturunterschiede während des Schmelzungsprozesses oder durch Porenbildung entstehen Spannungen in 3D-Druck-Bauteilen, die zu Verzug führen können. Ein Problem, wenn es um maßhaltige und sicherheitsrelevante Bauteile geht. Durch Kalibrierung und Simulationstechniken lassen sich nach Merkle & Partner diese Herausforderungen bereits zufriedenstellend lösen.

Im 3D-Druck wird schichtweisen Metallpulver verschmolzen. Während des Schmelzprozesses können im Material Poren entstehen. Zusätzlich werden Schichten des flüssigen Metalls mit bis zu 1.250°C auf bereits stark abgekühlte Schichten geschmolzen. Diese Faktoren können zu Spannungen und Zwängen innerhalb des Bauteils führen und folglich zu Instabilitäten und Verzug – für sicherheits- wie funktionsrelevante Bauteile ein ernstzunehmender Faktor.

Gemeinsam mit der Hochschule Aalen forscht das Ingenieurbüro Merkle & Partner im Rahmen des Projektes ROAD3D (Robuste Auslegung und Dimensionierung sicherheitsrelevanter Bauteile für den 3D-Metalldruck) unter anderem an Lösungen für diese Effekte.

„Ein wichtiger Aspekt ist die Kombination der Simulation mit der Kalibrierung des Druckers. Die Kalibrierung erfolgt anhand des Drucks einer definierten Teststruktur. Diese wird vermessen, Abweichungen werden analysiert, das jeweiligen 3D-Objekt in der Simulation angepasst. Über diese Simulation wird der Drucker dann so weit ‚kalibriert‘, dass Strukturen mit der gewünschten Maßhaltigkeit entstehen“, so Dr.-Ing. Maik Brehm, Verantwortlicher für das Projekt ROAD3D bei Merkle & Partner.

Im Vergleich zum iterativen Verfahren sind Test-Drucke in Kombination mit Simulationsmodellen eine weitaus exaktere und zeitsparendere Methodik. Zudem kann die Kalibrierung für weitere Druck-Modelle genutzt werden.

Dabei sind bereits viele Effekte in der Simulation im zehntel-Millimeter-Bereich abbildbar. So lassen sich Abweichungen vorhersagen und der Verzug kann bereits in der Konstruktion des Bauteils mit einkalkuliert werden.

Der 3-D-Druck bietet noch ungenutzte Möglichkeiten für Bauteile mit integrierten Funktionen, wie beispielsweise Kühl-Düsen im Maschinenbau. Über 3D-Druck können komplexe Strömungskanäle innerhalb des Bauteils integriert werden. Dies führt zu einer höheren Effektivität, gezielteren Funktion und gesteigerten Energieeffizienz. Genau für derartige Entwicklungen birgt der 3D-Druck enormes Potenzial. „Da sich diese Bauteile im iterativen Testing oft gar nicht mehr vermessen lassen, ist die Kombination des 3D-Drucks mit der Simulation der Türöffner für die Entwicklung von Bauteilen, die wir uns heute oftmals noch gar nicht vorstellen können“, so Brehm.

„Ideen für funktionsintegrierte Bauteile scheinen bereits zuhauf in Schreibtisch-Schubladen zu schlummern. Der zeitliche wie finanzielle Aufwand stoppt aktuell noch Innovationen. Dies könnte die Kalibrierung der Drucker und die Nutzung von Simulationstechnologien in der Konstruktions- und bei der Druckphase ändern“ ergänzt Brehm.

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