Laserstrahlschmelzen: Mit Simulation zur thermischen Stabilität

• Additive Works stellt eine Lösung vor, die thermische Stabilität für das Laserstrahlschmelzen (LBM) gewährleisten soll.
• Die simulationsbasierte Prozesssoftware Amphyon 2021 enthält ein Thermal Adaptation Modul für die Prozessvorbereitung.
• Es basiert auf den Daten der thermischen Simulation im LBM-Verfahren.

Additive Works, Anbieter von Lösungen für die additive Fertigung, hat Amphyon 2021, die neueste Version der simulationsbasierten Prozesssoftware für das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (LBM) vorgestellt, ein additives Fertigungsverfahren. Die Version 2021 enthält neben anderen wichtigen Erweiterungen das neue Thermal Adaption Modul für die Prozessvorbereitung, basierend auf thermischen Simulationsdaten des LBM-Prozesses.

Das Thermal Adaption Modul ermöglicht es Anwendern, Probleme zu lösen, die durch Überhitzungen während des LBM-Prozesses verursacht werden, indem die Schichtzeiten angepasst werden. Normalerweise wird dies durch die Verwendung fester Mindestschichtzeiten vermieden. Doch diese verlangsamen den gesamten Prozess. Mit der Simulation zur Berechnung der individuellen Wartezeiten pro Schicht lässt sich die Prozessdauer erheblich verkürzen. Selbst bei komplexen Applikationen können Ingenieure die richtigen Schichtzeiten mühelos ableiten, um reproduzierbare Formen und Materialeigenschaften für verschiedenste Set-ups und Nestings von Aufbauprozessen zu erhalten.

Beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen wird Metallpulver durch selektives Schmelzen von Querschnitten einer Geometrie zu Schichten verfestigt. Für die Komponentenerstellung werden Schichten auf den vorherigen Schichten hinzugefügt. Abhängig von der Geometrie, dem Nesting, den Prozessparametern und weiteren Eingabegrößen einer Applikation, können die Temperaturen mit der Bauteilhöhe deutlich ansteigen, was zu unzureichender Bauteilqualität führt. Insbesondere für Multi-Laser- und große Anlagen, die innerhalb kurzer Zeit eine enorme Energiemenge in ein Werkstück einbringen, ist dies problematisch. Aber was ist der geeignete Temperaturbereich und wie lange müssen Sie warten, um bekannte Probleme zu vermeiden, ohne den Prozess unnötig zu verlangsamen?

Geeigneter Temperaturbereich beim Laserstrahlschmelzen

Die Antworten auf diese Fragen kann das Thermal Adaptation Modul liefern, das Additive Works seiner Lösung Amphyon hinzugefügt hat, der Lösung für simulationsbasierte Prozessvorbereitung. Mithilfe von Amphyons thermischer Simulations- und Optimierungsfähigkeiten kann vor Simulationsbeginn eine Zieltemperatur angegeben werden. Auf der Grundlage dieser Zieltemperatur werden die Aufbauraten automatisch angepasst. Dadurch wird in allen Komponenten verhindert, dass die Zieltemperatur überschritten wird. Durch die Verwendung eines virtuellen physikbasierten Ansatzes anstelle von Trial-and-error, können die Wartezeiten für jede einzelne Schicht genau bestimmt werden. Daher entspricht die zusätzliche Zeit für jede Schicht der Zeit, die benötigt wird, um auf die Zieltemperatur abzukühlen. Für Schichten, bei denen keine Überhitzung beobachtet wird (zum Beispiel in der Nähe der Basisplatte), wird keine zusätzliche Zeit hinzugefügt.

„Zusätzlich zu den vielen anderen Erweiterungen von Amphyon 2021, wie einer verbesserten Materialhandhabung, ist das neue Thermal Adaptation Modul ein Gamechanger“, sagt Dr. Hongxiao Xu, CTO, Additive Works. „Die Gewährleistung thermisch stabiler LPBF-Prozesse, ohne die Fertigungsdauer durch eine feste Mindestschichtzeit extrem zu verlängern, wird die Grenzen von AM-Anwendungen erweitern.“

Thermisch stabile Prozesse auch bei kürzerer Fertigungszeit

Für dünne Bauteile mit massiven Ausführungen in den oberen Abschnitten wird der Vorteil dieser Herangehensweise schnell deutlich. Wird ein solches Bauteil in einem Aufbauprozess, der 21 Stunden für den Druck braucht, auf 700°C aufgeheizt, und die Mindestschichtzeiten sollen für alle Schichten eine Temperatur von unter 250°C gewährleisten, resultiert dies in einem etwa zehn Tage andauernden Aufbauprozess. Mithilfe des neuen simulationsbasierten Ansatzes kann das Bauteil innerhalb von 2,5 Tagen mit dem gleichen Ergebnis gedruckt werden. Obwohl die Dauer des ursprünglichen Prozesses mehr als verdoppelt wurde, hat sich die Zeitspanne, um eine Komponente mit optimaler Qualität zu erhalten, um den Faktor 4 verkürzt.

Weitere Informationen: https://additive.works/

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