FEM-Simulationsmethoden für den Prozess der additiven Fertigung - Roger Schlegel, Jiri Drozda, Oleg Khromov
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FEM-Simulationsmethoden für den Prozess
der additiven Fertigung
Roger Schlegel, Jiri Drozda, Oleg Khromov
Prozesstypen der additiven Fertigung
Additiven Fertigung (oder 3D-Druck) erstellt 3D-Objekte durch
schichtweisen Materialauftrag Aufbauprozess
Grundmaterial: Verfahrensweise:
• Kunststoff • Fused Deposition Modeling
• Metalle • Selective laser melting
• Keramik • Directed Energy Deposition
…. …
Fused Deposit Modeling Selective laser melting Directed Energy Deposition
(FDM) (SLM) (DED)
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Parametrische AM-Simulation
Herausforderungen im AM-Prozess
• Temperaturgeschichte, Überhitzung
• Verzüge der gedruckten Strukturen
• Eigenspannungen während des AM-
Prozesses
• Strukturelle Schäden, Defekte und Risse
aufgrund des AM-Prozesses
Parametrische Simulation kann helfen:
• das notwendige Diskretisierungsniveau eines Simulationsmodells zu finden
• das Simulationsmodell für eine ausreichende Prognosequalität zu kalibrieren
• die für die Prozessstabilität und Produktqualität relevanten, sensitiven
Prozessparameter zu identifizieren
• Hardware Trial & Error Prozesse zu vermeiden und entstehende Entwicklungszeit und
Kosten zu reduzieren
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Parametrische AM-Simulation / Sensitivitätsanalyse
MOP
Metamodell of optimal Prognosis
(Zusammenhangsmodell)
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Inputparameter / Prozessparameter
Prozess Parameter:
• Drucktemperatur / Energieeintrag
• Heizbetttemperatur
• Umgebungstemperatur /Konvektion
• Vorschub / Geschwindigkeit
• Prozesspausen (z.B. zum Abkühlen)
Prozesszone Parameter:
• Zonengröße
• Schichthöhe (Diskretisierungsniveau)
Zonengröße
Schichthöhe
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Prozesssimulation für Additive Fertigung
Reduced order models (ROMs)
Calibrated Simulation Calibration Sensitivity Study
and Metamodeling
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Modellbildung – Materialmodelle für AM
• AM Material: transversal isotrop Homogenes,
• n – normal (senkrecht) zur Druckrichtung anisotropes
• p – parallel zur Druckrichtung Materialmodell
thermisch, mechanisch
Strangförmig (FDM)
n
Sy,Sz
p
Sx
Schichtweise (ALM)
Sz
Sx, Sy
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Modellbildung – Materialmodell für Kunststoff Mechanisches Materialmodell: • Gemessene Spannungskurven für die Zugproben bei var. Temperaturen 31.01.2020 vipo - Symposium 2020 8
Modellbildung – Materialmodell für Kunststoff Materialmodel für Additive Fertigung von Kunststoff mittels FDM Elastoplastisch, Ver- und Entfestigung und Schädigung • Orthotropes Model für Additive Fertigung / Transversal isotrop • Nutzerdefinierte Materialmodelle im Bereich der Mehrflächen-Plastizität • Boxed-value Materialmodel • Temperaturabhängigkeit • Anisotrope Elastoplastizität • Analyse von Rissbildung 30.01.2020 vipo - Symposium 2020 9
Modellbildung – Materialanisotropie
ARIANE Injector – ALM Verfahren, Inconel 718
High plastic strains, Indicator for cracks
anisotrop
versus
isotrop
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 10Modellbildung Prozesszone - Sensitivitätsanalyse
10 13
The higher the
resolution of the
process zone, the
more continuous the
energy input and the
smaller the
deformation.
1 11
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 11Modellkalibrierung - Eindeutigkeit CoP Matrix (Coefficient of Prognoses) 30.01.2020 vipo - Symposium 2020 12
Modellkalibrierung als Optimierungsaufgabe
Zielfunktion zum Abgleich von Temperaturen, Verformungen und
Spannungen
Obj = Obj_T + Obj_Uz + Obj_MS_Sx + Obj_MS_Sy + Obj_MS_Sz +
Obj_MS´_Sx + Obj_MS´_Sy + Obj_MS´_Sz [%]
objective function
MIN best fit
MOP Drastische Reduktion der Rechenzeit
Solver (z.B. 1000-fach)
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 13Thermische FEM-Simulation des Druckprozesses
Testbeispiel gedruckt und modelliert FEM Modell:
MFPA Temp Messstelle:
Temperaturverlauf am Sensor:
Simulation Postprocessing Stelle:
31.01.2020 vipo - Symposium 2020 14Thermische FEM-Simulation des Druckprozesses
Messung: Temperaturverlauf Simulation
Temperaturverlauf beim Drucken [0.2mm Schichten]:
Temperatur (°C)
Laufende Arbeit:
• Sensitivitätsanalyse der thermischen Materialeigenschaften
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 15Parametrik zur Definition des Druckpfades sowie zur
Auflösung der Prozesszone
High resolution of the filament deposition
Fine resolution Middle resolution Coarse resolution
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 16Zusammenfassung und Ausblick
• Die Modellentwicklung und –kalibrierung für FDM-Verfahren erfolgt in der
Zusammenarbeit mit den Projektpartnern 3DS, MFPA, EAH
• Materialmodell für Druckmaterial Kunststoff ist implementiert und wird
weiter im Bezug zu den Messdaten entwickelt
• Das Modell für die Prozesszone ist implementiert; Untersuchungen zum
Diskretisierungsniveau laufen
• Die thermischen Prozesse sind qualitativ gut abgebildet, die quantitative
Konsistenz erfolgt nach der detaillierten Interpretation der Messdaten
• Weitere Arbeit an der Prozesssimulation: Entwicklung einer Schnittstelle
zwischen dem Drucker (G-Code) und der Simulationsumgebung (ANSYS
APDL)
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 17Ausblick
Approximation von AM-Felddaten Einfluss der
Vorwärmtemperatur auf
dem Bauteilverzug
Anwendungsbereiche:
– Field-Metamodel of Optimal Prognosis (FMOP) zur
Identifikation des räumlichen Einflusses von
Prozessparametern
– Basis für den anschließenden Schritt
Prozessoptimierung
– Echtzeitapproximation von Feldgrößen (z.B.
Temperaturen) für Digital Twins
– Analysen von statistischen Eigenschaften von
Bauteilen durch Darstellung der Statistik direkt auf
der 3D-Struktur
– Detektionen von Hot Spots
30.01.2020 vipo - Symposium 2020 18Sie können auch lesen
