was wir bieten

Dienstleistungen

 

Wir entwickeln ganzheitliche Lösungen für eine nachhaltige Implementierung des Additive Manufacturings in die Prozessketten unterschiedlichster Branchen! Hierzu betrachten wir alle horizontalen und vertikalen Bestandteile der Prozesskette und den dazwischen­liegenden Schnittstellen: beginnend bei der Bauteilauslegung, über die Anlagentechnik und den Prozess bis hin zu neuen AM-Werkstoffen.

Prozesssimulation

Die Anzahl der Additiven Fertigungsfahren die heute zur Verfügung stehen, die Materialien die verarbeitet werden können und die direkt einstellbaren Prozessparameter bieten viele mögliche Lösungen für eine Aufgabenstellung. Unabhängig davon ob der Verzug eines Bauteils minimiert werden soll oder es darum geht die Fertigbarkeit in kritischen Bauteilbereichen zu gewähren oder die ersten Prozessparameter für ein neues Material zu finden haben Prozesssimulationen im Bereich der Additiven Fertigung ihren Nutzen bereits unter Beweis gestellt.

Am DAP werden diese weiterentwickelt und/oder existierende Modelle auf ihre Gültigkeit (experimentell oder simulativ) und Übertragbarkeit überprüft.

Ein paar Beispiele aus unseren öffentlich geförderten Projekten oder internen Projekten:

Das Keyhole Model

Keyhole Modell für das Laser Powder Bed Fusion. Eine hohe Intensität führt zum verdampfen des Werkstoffs an der Oberfläche, der Rückstoß der verdampfenden Partikel führt zu einer kleinen Gaskapillare. Durch Mehrfachreflektion der einfallenden Laserstrahlung wird diese stabilisiert und vergrößert

Das Pulvermodell

Pulvermodell für das Laser Metall Depositioning. Die Pulverpartikel welche aus der Pulverdüse Richtung Werkstück beschleunigt werden, absorbieren entlang ihres Weges durch die Strahlkaustik einen relevanten Anteil der Gesamtstrahlleistung. Dies führt zum Anstieg der Partikeltemperatur und zu einer stark verändertet Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene.

Das Mikrostrukturmodell

Mikrostrukturmodell für additiv bearbeitetes Material. Im Allgemeinen sind die Abkühlraten und die Temperaturgradiente in der Additiven Fertigung signifikant größer (bis zu sechs Größenordnungen ) als in der konventionellen Fertigung. Dieser Umstand führ zu anderen Mikrostrukturen. Das verwendete Phasenfeldmodell bestimmt für ein spezifisches Material die Mikrostruktur in Abhängigkeit von den Erstarrungsbedingungen.

Verzügen in der Additiven Fertigung

Berechnung von Verzügen in der Additiven Fertigung. Die schnelle Erstarrung führt in Bauteilen zu Verzügen, welche entweder durch Stützstrukturen abgefangen oder schon im digitalen Bauteil vorkompensiert werden können. Dafür ist vorab eine Kenntnis über den entstehenden Verzug notwendig. Aus dem berechneten Temperaturzyklus lassen sich die Verzüge bestimmen.

 

Algoritmisches und Parametrisches Design

Design und Fertigung von Bauteilen ändert sich durch algorithmische Implementierung maßgeblich. Der algorithmische Ansatz ermöglicht Ingenieuren, komplexe Geometrien, die nicht dem Standard entsprechen, in Form eines parametrischen Modells mit Hilfe von Code zu erstellen. Die mathematische Beschreibung verdeutlicht ein parametrisches Modell; verschiedene Teile des Modells werden in logischer Form organisiert und speichern Informationen über die topologische Verbindung der Teile, wodurch sichergestellt wird, dass eine Änderung seiner Parameter eine kombinierte Aktualisierung des gesamten Modells auslöst. Die Verwendung von parametrischen Modellen beim algorithmischen Design erlaubt den Ingenieuren, die Geometrie ihres Modells flexibel zu beschreiben und Abhängigkeiten zwischen den Teilen des Modells zu schaffen. Dabei werden spezifische Regeln und Einschränkungen verwendet werden, was besonders hilfreich ist, wenn ein Bauteil für einen bestimmten Fertigungsverfahren entworfen wird.
Beim DAP werden algorithmische und parametrische Designs implementiert. Dazu wird die Software Rhino 3d in Kombination mit dem Plugin Grasshopper 3d für die Implementierung verschiedener Algorithmen mit hoher Komplexität verwendet. Dies führt zu einer ausnutzung der von AM gebotenen Designfreiheit. Einige der Projekte am DAP, in denen eine Kombination aus algorithmischem und parametrischem Design angewendet wird, werden im Folgenden kurz beschrieben:

 

Neue Methode zur Auslegung von Gitterstrukturen

  • Im Rahmen dieses Projektes wurde eine neue Methode für die Auslegung von Gitterstruktur unter Berücksichtigung der AM-Fertigungsrestriktionen entwickelt
  • Der Entwickelte Algorithmus ist für verschiedene industrielle Bauteile weithin anwendbar, da dieser die Erzeugung von Gitterstrukturen in Echtzeit ermöglicht 

Auslegung eines Hüftimplantats auf der Grundlage der Knochendichte

  • In diesem Projekt wurde das Design des Hüftimplantats mit Rhino/Grasshopper parametrisiert
  • Mit Hilfe des Algorithmus werden die Durchmesser der Streben einer topologieangepassten Gitterstruktur auf basis der indiviuduellen Knochendichteverteilung der Patienten angepasst

Textur-Generierung

  • Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Werkzeug implementiert und modifiziert, mit dem verschiedene Texturen von einem Designraum in einen anderen unter Verwendung einer Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion so abgebildet werden können, dass die erzeugte Textur dem Original statistisch ähnlich ist
  • Dieses Tool kann für die Übertragung von Texturen zwischen verschiedenen STL-Modellen verwendet werden, je nach Anforderung und Fertigungsverfahren

Neuentwurf und Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten

  • Der Neuentwurf wurde unter Verwendung von Topologieoptimierung und Gitterstrukturintegration zur Reduzierung des Komponentengewichts durchgeführt
  • Das Bauteil wurde mit Ti6Al4V unter Verwendung von L-PBF gefertigt
  • Die Masse des Bauteils wurde durch die Verwendung der Gitterstruktur- und Topologieoptimierung um 53% bzw. 34% reduziert 

Digitale Materialien

Digitale Materialien sind definiert als Materialien mit unterschiedlich eingestelltem mechanischen und/oder thermischen Verhalten in verschiedenen Bauteilbereichen. Die Additive Manufacturing (AM)-Technologien sind für die Herstellung digitaler Materialien geeignet. Um Abschnitte mit dem gewünschtem mechanischen und/oder thermischen Verhalten in einer Komponente zu erzeugen, gibt es drei Ansätze:

→ Anpassung der Prozessparameter

→ Anpassung der chemischen Zusammensetzungen

→ Lokale Anpassung der Geometrie

Für den ersten Ansatz wird das CAD-Modell eines Bauteils so modifiziert, dass es mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Prozessparametern enthält. Dies kann theoretisch über lokalen Modifikationen der Prozessparameter für jeden einzelnen Laserscan-Vektor realisiert werden. Im DAP wird derzeit ein Forschungsvorhaben bearbeitet, dass sich sich einer praktikableren Lösung widmet.

Um den zweiten Ansatz umzusetzen, werden die chemischen Zusammensetzungen eines Bauteils lokal variiert. Dies kann bei additiven Prozessen wie LMD und FDM auf einfache Weise realisiert werden. Die Verarbeitung von Materialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen im LPBF ist jedoch eine herausfordernde Aufgabe, die ebenfalls aktuell ein Forschungsthemen am DAP ist.

Die Idee des dritten Ansatzes besteht darin, die Geometrie eines Bauteils so zu modifizieren, dass es aus mehreren Bereichen mit unterschiedlichen effektiven Dichten desselben Materials besteht. Dies kann erreicht werden, indem unterschiedliche Gitterstrukturen in die erzeugten Abschnitte eingebaut werden. Die mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften einer Gitterstruktur lassen sich durch Änderung des Gittertyps und seiner Porosität steuern. Dies motiviert in einigen Bauteilen die Integration einer Gitterstruktur in einigen Abschnitten. Zur Optimierung der integrierten Struktur für die jeweilige Anwendung werden die Gitterparameter angepasst.

 

Die digitalen Materialien können geometrisch weiter optimiert werden, um eine Komponente mit mehreren Abschnitten so zu erstellen, dass jeder Abschnitt einen anderen Gittertyp, eine andere Zellen- und Strebengröße enthält. Dies ist aus zwei Gründen eine herausfordernde Aufgabe: Erstens ist die Simulation von Gittern schwierig und rechnerisch aufwendig. Zwar existieren einige geeignete Simulationsansätze wie Homogenisierungstechniken jedoch müssen diese meist speziell für Gitteranwendungen angepasst werden.

Zweitens müssen Algorithmen entwickelt werden die eine korrekte Verbindung zwischen Gittern unterschiedlicher Typen zu gewährleisten, da die gitterintegrierte Geometrie fein verzweigt und hoch komplex sein kann. Die Datenverarbeitung der Geometrie stellt auch eine Herausforderung dar, welche zur Zeit am DAP bearbeitet wird. Prozesseitig wird das Thema „Digitales Material“ aktuell mit variierenden Materialzusammensetzungen oder mit der Anpassung von Prozessparametern (speziell für den LPBF-Prozess) untersucht.

 

Die relevanten Forschungsthemen am DAP sind:

      • Algorithmische Gitterstrukturgenerierung unter Berücksichtigung von Materialherstellungsbedingungen wie z.B. kritischer Überhangwinkel oder minimal erreichbare Featuregrößen
      • Lastadaptive Gitterstrukturgenerierung, optimiert auf Grundlage der Last- und den gegebenen Randbedingungen
      • Erzeugung konformer Gitterstrukturen
      • Verfeinerungsalgorithmen für Gitterstrukturen, entweder lokal oder global
      • Heterogene Gitterstrukturen
      • Algorithmen zur Topologieoptimierung
      • Einstellung von Prozessparametern für digitale Materialien
      • Anpassung von chemischen Zusammensetzungen für digitale Materialien

 

Design für Additive Fertigung

Additive Manufacturing ermöglicht außerordentliche Flexibilität bei der Herstellung von kundenspezifischen Teilen, die mit konventionelle Methoden nicht hergestellt werden können. Die Fähigkeit zur Herstellung komplexer und komplizierter Geometrien sowie die einfache Produktanpassung unterscheiden AM von anderen Technologien. Es gibt jedoch einige Einschränkungen bei der Konstruktion für AM, die ebenfalls berücksichtigt werden müssen. Daher könnte die Einführung einiger Regeln den Konstrukteuren zu einem besseren Verständnis der Einschränkungen bei der Konstruktion verhelfen. Dennoch erfordert eine erschöpfende Definition von Regeln eine allgemeine Perspektive des gesamten Prozesses und aller beteiligten Abhängigkeiten in AM.

Die meisten Methoden für Entwurfsregeln werden durch die Einschränkungen von geometrischen Elementen und Merkmalen mit spezifischen Material- und Randbedingungen (Prozessparameter) entwickelt. Geometrische Strukturen können für die Entwicklung von Design Rules in AM nach DMDR [1] klassifiziert werden.

Geometrische Klassifikation

Gruppe
Typen
Attribut
Grundlegende Elemente

Double-curved

Simple-curved

Non-curved

 
Element-Übergänge

Firmly-bonded

Non-bonded

Dicke der kombinierten Elemente, Übergangswinkel

Lücke zwischen kombinierten Elementen

Aggregierte Strukturen

Islands

Overhangs

Material accumulated

Ausgangsposition der Inseln

Länge der Überhänge

Dimensionen der Materialanhäufung

Tabelle1. Klassifikation von geometrischen Strukturen auf der Grundlage des DMDR-Projekts

Einige geometrische Merkmale müssen ohnehin vermieden werden (z.B. scharfe Kanten), während einige Merkmale die Kriterien für die Bewertung benötigen (z.B. die Wanddicke). Diese Kriterien können experimentell oder durch spezifische Datenanalyse-Algorithmen bestimmt werden.  So werden z.B. der Mindestwinkel für den Überstand oder die Mindestdicke in Abhängigkeit von bestimmten Materialeigenschaften bestimmt. Die Prozess- und Materialabhängigkeiten können auch durch die Entwicklung eines allgemeinen Modells berücksichtigt werden, das alle Parameter richtig korreliert. Kürzlich arbeitet DAP an einer Software, die die Korrelation zwischen drei Arten von Parametern (Geometrie, Material, Prozess) finden kann, um Konstrukteuren nicht nur die geeigneten Kriterien, sondern auch einige Vorschläge zu geben, die ihnen bei der Neukonstruktion des Teils gemäß DfAM helfen können.

Die wichtigsten Elementtypen können als aufgeführt werden:

  • Überhangbereiche
  • Kanten
  • Größe der Löcher und Lücken
  • Wandstärke
Element Typ
Attribut
Regeln
Regeln
Modell
Überhang

Winkel für nicht unterstützten Bereich

Experimentell

Spezifische Material- und Prozessparameter

Algorithmisch

Anpassung für unterschiedliche Randbedingungen

Tabelle 2. Mindestwinkel für nicht unterstützte Fläche

Die relevanten Forschungsthemen: 

  • Orientierungsoptimierung in AM
  • Bewertung der Oberflächenqualität entsprechend der Position des Teils
  • Maschinelle Lernansätze für die Korrelation zwischen den Prozess-, Material- und Geometrieparametern

Referenz:

 [1] Guido A.O. Adam, Detmar Zimmer, Design for Additive Manufacturing—Element transitions and aggregated structures, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, Volume 7, Issue 1, 2014, Pages 20-28, ISSN 1755-5817, https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2013.10.001.