Software und Simulation

Projektbeispiele zum Forschungsthema Software und Simulation

© Fraunhofer IWM

Verzugsminimierung bei der additiven Fertigung

Gradierte oder Multimaterial-Bauteile aus Keramik und/oder Metall schwinden beim Sintern inhomogen.

© Fraunhofer IWM

Prozessmodellierung

Numerische Simulation des Lichttransports und Reflexion verschiedener voxel-basierter Mischungen von UV härtenden Druckmaterialien

© Fraunhofer IWM

Lokale Eigenschaften von additiv gefertigten Teilen

In dem EU-Projekt »SIMCHAIN« wurde eine Simulationskette entwickelt, die es erlaubt den Einfluss von Prozessparametern auf die lokalen mechanischen Eigenschaften von generativ gefertigten Bauteilen zu untersuchen.

© Fraunhofer IWM

Eigenspannungen und Verzüge in der Stereolithographie

Stereolithographieharze zeigen während der Aushärtung einen Polymerisationsschrumpf. Dies führt beim schichtweisen Aufbau von Bauteilen zu Eigenspannungen und Formverzügen.

© Fraunhofer IGD

Cuttlefish - Voxel-basierter, streamingfähiger 3D-Druckertreiber

Cuttlefish steuert lokal die Prozessparameter (z.B. die Laserleistung im SLM Prozess) und die Materialpositionierung (z.B. die Materialverteilung im hochaufgelösten Multimaterial-3D-Druck).

Additive Verfahren berechenbar machen, additive Verfahren steuern

Die additive Fertigung ist auf das Engste mit der digitalen Steuerung des Fertigungsprozesses verknüpft: Bauteile werden direkt anhand einer digitalen Repräsentation gefertigt. Das Kompetenzfeld Additive Fertigung entwickelt Algorithmen zur Steuerung von additiven Fertigungsprozessen, beispielsweise um optische Eigenschaften der Bauteile gezielt zu gestalten, oder simuliert einzelne Verfahrensschritte, z.B. um hieraus Maßnahmen zur Verringerung von Eigenspannungen und Verzügen abzuleiten.

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Algorithmik & Software

Softwarewerkzeuge und die darin enthaltene Algorithmik sind ein wesentlicher Bestandteil additiver Prozessoptimierung sowie der digitalen Prozesskette. Dies beinhaltet Dither-Methoden zur Materialpositionierung im Multimaterial-3D-Druck mit minimaler Materialagglomeration oder geometrie-adaptive Laserführung beim Laser-Strahlschmelzen, bei der die schnelle Berechnung verschiedener Geometriemerkmale (Abstand zur Bauteiloberfläche, Orientierung von Offset-Flächen, etc.) notwendig ist. Auch Methoden zur „Druckbarmachung“ von 3D-Modellen mit fehlerhafter Geometrie (z. B. falsche Flächenorientierung, Löcher, nicht-mannigfaltige Kanten und Ecken) sind für eine automatisierte Prozesskette essentiell und fallen in diese Kategorie.

Modelle und Simulationen

Simulationswerkzeuge tragen zur Materialentwicklung und zur Optimierung von Prozessschritten bei, z. B. um Verzüge zu minimieren. Die numerischen Ansätze reichen von atomistischen und thermodynamischen Simulationen zur Legierungsentwicklung über das Fließ-, Kompaktierungs- und Sinterverhalten von Pulvern, Schmelzbad- und Gefügeentwicklungssimulationen von Metallen, mechanischen Modellen für das Aushärteverhalten von Harzen, Simulationen von hybriden Prozessen und Nachbehandlungsschritten bis hin zur Lebensdauerbewertung von additiv gefertigten Bauteilen.

RISTRA – Rapid Interactive Structural Analysis

Im virtuellen Produktentwicklungsprozess ist es oft entscheidend, die Eigenschaften von vielen Produktvarianten zu simulieren, um vor dem Prototypenbau oder der Serienfertigung bereits belastbare Entscheidungskriterien für die Auswahl des finalen Designs zu generieren. Diese klassische Produktsimulation wird in der generativen Fertigung, aber auch bei anderen Fertigungsverfahren häufig eingesetzt. Um die Anzahl der zu untersuchenden Varianten deutlich zu erhöhen, haben wir RISTRA – Rapid Interactive Structural Analysis – entwickelt. RISTRA ist eine auf Graphikkarten (graphics processing unit - GPU) optimierte Simulationssoftware für Strukturmechanik, die die tausenden GPU-Prozessoren nutzt, um schnell Vorhersagen zu dreidimensionalen mechanischen Spannungsverteilung unter gegebenen Lasten zu machen. Durch effiziente GPU-Datenstrukturen und massiv-parallel Algorithmen werden Beschleunigungen von einem Faktor von bis zu 80x im Vergleich zu kommerzieller Software erreicht.

Simulation

Die Computersimulation und die Technologien des Rapid Prototyping/ Rapid Tooling (RP/RT) bergen großes Potenzial zur Kosten- und Zeitersparnis in der industriellen Produktentwicklung und gewinnen daher immer stärker an Bedeutung. Noch bevor ein Produkt, zum Beispiel ein neu entwickeltes Maschinenbauteil, tatsächlich gefertigt wird, kann der gesamte Entstehungsprozess kostengünstig und schnell optimiert werden. In einem weiteren Schritt können mit Hilfe des RP/RT ebenso erste Prototypen, Kleinserien oder auch Werkzeugeinsätze für verschiedenste Fertigungsverfahren hergestellt werden. Neben der Simulation sind so auch eine vollständige reale Bauteilüberprüfung und -optimierung möglich.

Topologieoptimierung – Belastungsgerechte Gestaltung von Bauteilen

Generative Verfahren bieten eine einfache Möglichkeit, so genannte topologieoptimierte Strukturen zu fertigen. Die Topologieoptimierung meint hier die Konstruktion, Simulation und Fertigung gradierter zellularer Strukturen für mechanisch belastete Bauteile mit hoher Steifigkeit und geringem Gewicht. Material wird nur dort aufgebaut, wo es belastungsgerecht gebraucht wird. Die Verfahren basieren unter anderem auch auf optimierten Verteilungen unterschiedlicher Werkstoffeigenschaften im Bauteil.

Bauteilsimulation

Im Produktentwicklungsprozess setzt das Kompetenzfeld Additive Fertigung auf virtuelle Simulationstechniken, die den gesamten Bereich von der Statik bis zur Dynamik abdecken. Darüber hinaus entwickeln wir Werkzeuge, mit denen auch transiente, stark nichtlineare Berechnungen, beispielsweise Falltest-, Traglast- und Versagensanalysen durchgeführt werden können. Innerhalb der CAD-basierten Simulationsplattform lassen sich so einzelne Bauteile und selbst große Baugruppen sehr einfach und effizient handhaben. Spezielle Module für die konstruktionsbegleitende Berechnung erlauben auch sporadischen Anwendern, ihre Entwürfe und Ideen direkt am CAD-Arbeitsplatz zu überprüfen.

Aktuelle Entwicklungen

Komplexe innere Strukturen

Hier können generativ fertigende Verfahren und Systeme besonders punkten: mit ihrer fast völligen Freiheit hinsichtlich der produzierbaren Geometrie – vor allem im Inneren eines Bauteils. So lassen sich zum Beispiel innere Geometrien herstellen, die der Gewichtsersparnis bei gleichzeitigem Erhalt der mechanischen Festigkeit dienen. Auch die Nachbildung des menschlichen Knochenaufbaus oder die Anlage von Reservoiren in Implantaten für eine Langzeitmedikation sind denkbar. Außerdem eignen sich diese Verfahren für die Herstellung von Bauteilen mit konturnahen Kühlkanälen, etwa bei Spritzgießwerkzeugen, aber auch wabenähnliche Strukturen zur Strömungsführung lassen sich fertigen. Interne, sich wiederholende Geometrien zur Vergrößerung der inneren Oberfläche lassen sich mit diesem Verfahren herstellen, zum Beispiel für einen besseren Energie- oder Stoffaustausch in Apparaten zur Wärmerückgewinnung oder Filtration.

Simulation für Leichtbaustrukturen

Eine belastungsgerechte und gewichtsoptimierte Auslegung komplex strukturierter Leichtbauteile wird oft erst durch geeignete Simulationswerkzeuge erreicht. Damit kann frühzeitig der Einfluss verschiedener Ausgangs- und Betriebsparameter auf das Bauteilverhalten untersucht und optimiert werden. Die Modellierung und Simulation verifiziert schon in der Entwicklung konstruktions- und fertigungsgerechte Lösungen und verhindert Planungsfehler, die hohe Folgekosten und Zeitverzögerungen verursachen. Spezielle Modellierungs- und Simulationstools erlauben uns eine effiziente Beschreibung mathematischer Berechnungs- und Modellfunktionen, bieten Zugriff auf statische, dynamische oder reale Messdaten und stellen die Modellergebnisse grafisch dar.

Unsere Leistungen

Simulation der Konstruktion - Virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen

Die virtuelle Inbetriebnahme einer Maschine oder einer komplett automatisierten Anlage bietet den Vorteil, die Steuerungssoftware bereits während der Konstruktion und Entwicklung zu testen und zu optimieren. Die Basis dafür bildet eine Echtzeitsimulation, die das Verhalten der gesamten Maschinenkonstruktion oder einzelner Komponenten nachempfindet. Das Kompetenzfeld Additive Fertigung bietet auf dieser Basis Konzepte, Werkzeuge und Methoden für die Entwicklung solcher Systemmodelle an, die Ihnen die einige Vorteile bieten:

  • Kurze Entwicklungszeiten durch Softwareentwicklung am Maschinen-/Anlagenmodell
  • Qualitätssicherung der Steuerungssoftware
  • Weiterführende Nutzung funktionaler Modelle.

Tests und Validierung

In vielen Branchen kommen heute Standardprodukte aus verschiedenen CAD-Baukastensystemen zum Einsatz. Die letzten Bauteile, die den eigentlichen Kontakt zum Produkt haben, werden aber mit hohem Aufwand produktindividuell und in Einzelstücken oder Kleinstserien hergestellt.

Der Einsatz generativer Fertigungsverfahren verbessert nicht nur punktuell die Qualität von Teilfunktionalitäten, es lassen sich auch ganze Funktionsbaugruppen direkt herstellen, die ohne weitere Montageschritte einsatzbereit sind.

Aktuelle Entwicklungen

Simulation von Fertigungsschritten in der Pulvertechnologie

Auf Basis innovativer Werkstoffmodelle können die einzelnen Prozessschritte der Herstellung pulvertechnologischer Bauteile numerisch simuliert werden. Anhand der Ergebnisse lassen sich die Verfahrensschritte optimieren. Dadurch verkürzen sich die Entwicklungszeiten formgenauer und rissfreier Bauteile und die Fertigungskosten sinken. Das Spektrum der untersuchten Materialien umfasst pulvermetallurgische Werkstoffe wie Sinterstahl und Hartmetall sowie technische und Gebrauchskeramik.

Simulationen von Verfahrensparametern des SLM

Im selektiven Laserschmelzen führen hohe räumliche und zeitliche Temperaturgradienten zu Eigenspannungen und Verzügen. Durch das inkrementelle Bohrlochverfahren konnten ein Tiefenprofil der Eigenspannungen für unterschiedliche Temperaturen des Bauteils und verschiedene Scanstrategien ermittelt werden. Die generative Fertigung bei einer höheren Bauteiltemperatur trägt in starkem Maße dazu bei, die Eigenspannungen zu verringern. Eine optimierte Scanstrategie reduziert die Eigenspannungen noch weiter.

Simulationen des Stereolithographieprozesses

Das Wechselspiel aus zunehmender Steifigkeit, abnehmender Fließfähigkeit und volumetrischen Veränderungen durch Polymerisationsschrumpf und thermische Ausdehnung des Stereolithographieharzes während der Aushärtung führt zu Eigenspannungen und Verzügen. Prozessnahe Simulationen können diese vorhersagen und zur Optimierung der Verfahrensschritte beitragen. Für lichthärtende Harze wurde ein Materialmodell entwickelt, das den Verlauf der elastischen, viskosen und viskoelastischen Anteile der Verformungsantwort während der Aushärtung beschreibt. Das Materialmodell kann anhand geeigneter Experimente parametrisiert werden. Simulationsergebnisse zu Formverzügen zeigen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Resultaten.

Unsere Leistungen

Auslegung und Simulation komplex strukturierter Bauteile

Mit dem Selective Laser Meldting als Rapid-Prototyping und Rapid-Manufacturing-Verfahren werden metallische und keramische Bauteile und Werkzeuge hergestellt.

Die Arbeiten des Kompetenzfelds Additive Fertigung umfassen verfahrenstechnische, physikalische und werkstoffkundliche Grundlagen, die Modellbildung zur Unterstützung und Optimierung der Verfahrensentwicklung sowie die Entwicklung von Komponenten zur Strahlführung und -formung, zur Pulverzufuhr und zur Prozessüberwachung und -regelung. Darüber entwickeln und installieren wir komplette Pilotanlagen.

 

Entwicklung von Materialmodellen und Simulationstools für generative Prozesse

In vielen Branchen kommen heute Standardprodukte aus CAD-Baukastensystemen zum Einsatz. Die letzten Bauteile, die den eigentlichen Kontakt zum Produkt haben, werden aber mit hohem Aufwand produktindividuell und in Einzelstücken oder Kleinstserien hergestellt.

Durch den Einsatz generativer Fertigungsverfahren verbessern die Institute des Kompetenzfelds nicht nur punktuell die Qualität von Teilfunktionalitäten; sie stellen auch ganze Funktionsbaugruppen direkt her, die ohne jegliche Montageschritte einsatzbereit sind.