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Additive Works Amphyon 2021: thermische Stabilität für Laserschmelz-3D-Druck

Additive Works, Spezialist für Simulationssoftware für den 3D-Druck, präsentierte Amphyon 2021, die neueste Version der simulationsbasierten Prozesssoftware für das additive Fertigungsverfahren des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens (Laser Beam Melting, LBM). Die Version 2021 enthält neben anderen wichtigen Erweiterungen das neue Thermal Adaption Modul für die Prozessvorbereitung, basierend auf thermischen Simulationsdaten des LBM-Prozesses.

Thermal Adaptation Modul in Amphyon 2021
Das Thermal Adaptation Modul in Amphyon 2021 verhindert das Überhitzen beim Metall-3D-Druck (Bild: Additive Works).

Beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen wird Metallpulver durch selektives Schmelzen von Querschnitten einer Geometrie zu Schichten verfestigt. Schicht für Schicht wird so ein dreidimensionales Teil aufgebaut.  Abhängig von der Geometrie, der Anordnung der Teile (Nesting), den Prozessparametern und weiteren Eingabegrößen 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.

Das Thermal Adaption Modul ermöglicht es Anwendern, solche Überhitzungen zu vermeiden, indem die Schichtzeiten angepasst werden und zwischen Schichten Pausen eingelegt werden. Während normalerweise eine feste Mindestschichtdicke definiert wird, ermöglicht Thermal Adoption die Berechnung individueller Wartezeiten pro Schicht, was wiederum zu einer erheblichen Verkürzung des Bauprozesses führt. Selbst bei komplexen Applikationen können Ingenieure die richtigen Schichtzeiten mühelos ableiten, um reproduzierbare Formen und Materialeigenschaften für verschiedenste Setups und Nestings von Aufbauprozessen zu erhalten.

Mithilfe von Amphyons thermischer Simulations- und Optimierungsfähigkeiten kann vor dem Start der Simulation eine Zieltemperatur angegeben werden. Auf der Grundlage dieser Zieltemperatur werden die Aufbauraten automatisch angepasst. Dadurch wird 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 genau der Zeit, die benötigt wird, um auf die Zieltemperatur abzukühlen. Für Schichten, bei denen keine Überhitzung beobachtet wird, beispielsweise in der Nähe der Basisplatte, wird natürlich keine zusätzliche Zeit hinzugefügt.

Amphyon 2021 Thermal Adaption rechnet für jede Schicht die optimale Mindestzeit

„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.“

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 10 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.

Lange Zeit war man froh, wenn der 3D-Drucker irgendwann einmal Teile ausspuckte. Doch mit dem immer stärkeren Fokus auf Serienteile wird die Bauzeit ein wichtiger Faktor. Je schneller die Teile gefertigt werden, desto mehr können gefertigt werden. Dann macht es eben auch Sinn, mit Hilfe einer Aufbausimulation den Bauvorgang so zu optimieren, dass ohne Qualitätsverlust mehr Teile produziert werden können. Additive Works hat mit Thermal Adaption in Amphyon 2021 ein interessantes Werkzeug implementiert, das genau dieses Thema adressiert.

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