Simulation: Was Sintern im Metall-3D-Druck berechenbarer werden lässt

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Mit einer neuartigen Software lassen sich unter anderem die Schrumpfung und die Verformung von 3D-Druckteilen beim Sintern korrigieren.

• Die Sinter-Simulation für additiv gefertigte Teile und Materialien ist eine komplexe multiphysikalische Aufgabe.

• Desktop Metal, ein Anbieter von schlüsselfertigen Lösungen für die additive Fertigung, bringt Live Sinter auf den Markt, eine Software für die Simulation des Sinter-Prozesses.

• Die Softwarelösung soll Fehler bei der Fertigung hochpräziser Teile mit pulvermetallurgie-basierten Verfahren wie dem Binder-Jetting eliminieren.

• Sie korrigiert unter anderem die Schrumpfung und Verformung von 3D-Druckteilen direkt beim Sintern.

Die Einführung der Software Live Sinter folgt auf die kürzliche Unterzeichnung einer endgültigen Vereinbarung über einen Unternehmenszusammenschluss mit Trine Acquisition Corp. durch Desktop Metal. Live Sinter korrigiert nicht nur die Schrumpfungen und Verformungen, die typischerweise beim Sintern auftreten, sondern ermöglicht auch das Drucken von Geometrien, die ohne die Software erhebliche Herausforderungen für das Sintern darstellen würden. Durch die Verbesserung der Form- und Maßtoleranzen von gesinterten Teilen wird der Erstteilerfolg bei komplexen Geometrien verbessert, und die Kosten und der Zeitaufwand für die Nachbearbeitung reduzieren sich. Vielfach ermöglicht die Software sogar das Sintern von Teilen ohne die Verwendung von Stützen.

Live Sinter ist zwar mit allen auf dem Sintern basierenden Pulvermetallurgieverfahren, einschließlich Metallpulver-Spritzguss (MIM), kompatibel, wird aber zunächst für Kunden von Desktop Metal's Shop System, verfügbar per Ende 2020, und Production System, Auslieferung 2021, erhältlich sein.

"Die Fertigungsindustrie wird Zeuge der transformativen Kraft, die die additive Fertigung in vielen Branchen, von der Automobil- und Luftfahrtindustrie bis hin zu Schwermaschinen und Konsumgütern, in Bezug auf Qualität, Leistung und Kosteneinsparungen entfaltet. Wir glauben, dass Live Sinter ein entscheidender Begleiter sein wird, um den Erfolg der additiven Fertigung weiter voranzutreiben", sagt Ric Fulop, CEO und Mitbegründer von Desktop Metal. "Da die Hersteller die Flexibilität der Volumenproduktion, die durch Technologien wie dem Binder-Jetting bereitgestellt wird, nutzen möchten, ist Live Sinter eine einzigartige Lösung, die durch die Entmystifizierung des Sinterprozesses einen Weg zu vorhersehbaren und wiederholbaren Ergebnissen bietet."

Herausforderungen beim Sintern

Das Sintern ist ein kritischer Schritt in pulvermetallurgie-basierten Herstellungsverfahren, einschließlich des Binder-Jetting. Dabei werden die Teile fast bis zum Schmelzen erhitzt, um ihnen Festigkeit und Integrität zu verleihen, und die Teile schrumpfen typischerweise um bis zu 20 Prozent gegenüber ihren ursprünglich gedruckten oder geformten Abmessungen. Während des Prozesses besteht bei unsachgemäß abgestützten Teilen auch ein erhebliches Verformungsrisiko, was dazu führt, dass Teile rissig oder verformt werden oder eine kostspielige Nachbearbeitung erfordern, um die Maßhaltigkeit zu erreichen.

Sinter-Verformung ist für die pulvermetallurgische Industrie seit Jahrzehnten eine Realität. Meist bestand die Lösung darin, sich auf die Erfahrung von Branchenveteranen zu verlassen, die auf der Grundlage wiederholter Versuche Anpassungen von Teilentwürfen mit verschiedenen Sinterträgern oder "Settern" kombinieren, um eine stabile Produktion in hohen Stückzahlen zu ermöglichen. Live-Sinter reduziert nun die Abhängigkeit von Versuch und Irrtum auf ein Minimum. Die Software eröffnet eine rationelle benutzerfreundliche Lösung, die präzise Teile liefert, ohne dass die Anwender Experten in der Pulvermetallurgie sein müssen.

Negative Offset-Geometrie kompensiert Verzerrungen

Live Sinter kann für eine Vielzahl von Legierungen kalibriert werden. Die Anwendung prognostiziert die Schrumpfung und Verformung während des Sinterns und kompensiert solche Änderungen automatisch, indem es Geometrien mit negativem Offset erzeugt, die nach dem Druck gemäß den ursprünglich beabsichtigten Designspezifikationen gesintert werden. Diese negativen Versätze sind das Ergebnis eines GPU-beschleunigten iterativen Prozesses, in dem die Software proaktiv die Teilegeometrien um präzise Beträge in bestimmten Richtungen vorverformt, so dass sie beim Sintern ihre beabsichtigte Form erreichen.

Die Sinter-Simulation ist ein komplexes multiphysikalisches Problem, bei dem es darum geht, zu modellieren, wie Teile und Materialien auf eine Reihe von Faktoren reagieren, einschließlich Schwerkraft, Schrumpfung, Dichtevariationen, elastische Biegung, plastische Verformung, Reibungswiderstand und mehr. Darüber hinaus finden die während des Sinterns auftretenden thermodynamischen und mechanischen Umwandlungen unter intensiver Hitze statt, so dass sie nur schwer zu beobachten sind, ohne dass entweder der Sinterprozess in der Mitte des Zyklus angehalten wird oder Fenster in den Ofen eingebaut werden, um Verzerrungen mit Hilfe von Bildern zu beobachten, die bei hoher Temperatur aufgenommen wurden. Während solche Methoden in F&E-Umgebungen vielleicht noch tolerierbar sind, führen sie bei Produktionsanwendungen zu erheblichen Verzögerungen und Kosten bei der Markteinführung.

"Live Sinter wurde entwickelt, indem man sich mit den Herausforderungen des Sinterns arrangiert hat -- anstatt sie zu bekämpfen. Dabei erzeugt die Software Teilegeometrien mit negativem Versatz, die zu den beabsichtigten Formen und Dimensionsspezifikationen sintern", sagte Andy Roberts, Desktop Metal VP of Software. "Sie nimmt auch einige der größten Herausforderungen des Sinterns in Angriff, wie zum Beispiel die Verwendung von Settern. Jahrelang verließ man sich bei der Entwicklung von Settern, die die Teile im Ofen abstützen, auf die Intuition weniger Ingenieure mit jahrelanger praktischer Erfahrung. Jetzt ist der Prozess mit Live Sinter einfacher, vorhersehbarer und besser kontrollierbar".

Hochgeschwindigkeitssimulation mit GPUs und optimierter Kalibrierung für das Sintern

Live Sinter läuft auf einer GPU-beschleunigten Multiphysik-Engine, die in der Lage ist, Kollisionen und Interaktionen zwischen Hunderttausenden von verbundenen Partikelmassen und starren Körpern zu modellieren. Die dynamische Simulation der Multiphysik-Engine wird durch eine integrierte netzunabhängige Finite-Elemente-Analyse (FEA) verfeinert, die Spannungen, Dehnungen und Verschiebungen über Teilegeometrien hinweg berechnet, um nicht nur Schrumpfung und Verformung, sondern auch Risiken und Ausfälle vorherzusagen und so die Machbarkeit eines Teils für die sinterbasierte additive Fertigung vor Baubeginn zu validieren.

Ausgestattet mit diesem zweifachen Ansatz, der ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit herstellt, kann Live Sinter einen typischen Sinterofenzyklus in nur fünf Minuten simulieren und negative Offset-Geometrien erzeugen. Damit lassen sich Schwindung und Verformung in nur fünfzehn Minuten ausgleichen, im Vergleich zu allgemeineren Simulationswerkzeugen, die komplexe Netze verwenden und komplexe Aufbauten und Stunden zur Fertigstellung erfordern. Darüber hinaus kann die Software mit minimalem Zusatzaufwand auf neue Materialien und Sinterhardware und Prozessparameter kalibriert werden.

Gebündelt mit Desktop-Binder-Jetting-Technologie

Live Sinter wird erstmals im 4. Quartal 2020 für Kunden der additiven Fertigungslösungen Desktop Metal's Shop System und Production System verfügbar sein. Im Laufe der Zeit wird das Unternehmen die Prozesssimulationssoftware möglicherweise Anwendern aller sinterbasierten Pulvermetallurgieprozesse anbieten.

Das Shop System wurde entwickelt, um die additive Fertigung von Metall in Maschinen- und Lohnfertigungsbetrieben mit einer erschwinglichen, schlüsselfertigen Lösung bereit zu stellen, mit der Teile mit außergewöhnlicher Oberflächengüte und detailreichen Merkmalen mit bis zu zehnfacher Geschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen additiven Pulverbettschmelzfertigungstechnologien hergestellt werden können. Das Production System wurde von Erfindern der Binder Jetting- und Single-Pass-Inkjet-Technologie entwickelt und ist eine schnelle Möglichkeit, Metallteile maßstabsgetreu in 3D zu drucken. Bei dem System handelt es sich um eine industrielle Fertigungslösung, mit der deutlich höhere Geschwindigkeiten erreicht werden können als mit herkömmlichen additiven Pulverbett-Fertigungstechnologien, was auch die Massenfertigung ermöglichen würde.

Weitere Informationen: https://www.desktopmetal.com/

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