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Results & Reports

LBM-Additive Fertigung
Fehlerkatalog

Das Laserstrahlschmelzen (Laser Beam Melting, LBM) ist eine komplexe Technologie, deren Ergebnisqualität von verschiedenen Parametern abhängig ist. Ziel dieser Studie war es einerseits, einen Überblick über mögliche Prozessabweichungen während des LBM-Prozesses und daraus resultierende mögliche Bauteilfehler zu geben und zum anderen die kritischsten Fehler des LBM-Prozesses zu bewerten. Darüber hinaus wurde ein vertiefter Blick auf die daraus resultierenden Baufehler und deren Auswirkungen auf die Bauteilqualität geworfen. Die Ergebnisse sollten Hinweise darauf geben, wie sehr sie die Teilequalität beeinflussen.

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GESTALTUNG
FÜR DIE ADDITIVE FERTIGUNG: Eine praktische Methodik

Die Additive Fertigung (engl. „Additive Manufacturing“, AM), umgangssprachlich bekannt als 3D-Druck, bietet Vorteile, die mit herkömmlichen Produktionslinien nie erreicht werden können: grenzenlose gestalterische Freiheit, Individualisierung, geringes Gewicht, Materialeffizienz, etc. Um ihr Potenzial voll auszuschöpfen, benötigen Konstrukteure einen völlig neuen Ansatz und eine neue Denkweise. Ein wichtiger Aspekt ist die Verwendung der richtigen Methodik, die wir in diesem E-Book erläutern werden.

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Gestaltung in der Additiven Fertigung
Grundlegende Überlegungen zu den Prozessen

Von der Additiven Fertigung (engl. Additive Manufacturing, AM) heißt es, sie sei in der Lage, beliebige Geometrien herzustellen. Daher schlagen die Konstrukteure natürlich erstaunliche Geometrien vor und sind oft enttäuscht von den Ergebnissen, die sie hinsichtlich der Bauteilqualität erhalten. Teile können deformiert sein, mit einer stellenweise schlechten Oberflächenqualität, nicht so sauber wie erwartet oder außerhalb der Toleranzen…
Konstrukteure können etwas gegen diese Probleme tun. Sie können ihre Teile mit einigen grundlegenden Überlegungen wesentlich einfacher herstellbar machen. Wenn es einfacher ist, steigt die endgültige Qualität, und manchmal sinken auch die Kosten bei gleicher Funktionserfüllung.
Das Ziel dieses Dokuments besteht in ersten Überlegungen über die Funktionsweise der verschiedenen AM-Geräte. Dies wird dem Leser helfen, zu verstehen, warum es einige Gestaltungsregeln bei der AM gibt, und warum sie so sind, wie sie sind.
Wenn er dies bedenkt, kann ein Konstrukteur eine optimierte Form für die gewählte AM-Technologie erzeugen. Das bedeutet eine bessere Ausführungsqualität und weniger kostspielige Nachbehandlung.
Diese Arbeiten wurden vom Forschungszentrum Sirris im Rahmen des Cornet-Projekts AM4I – Additive Manufacturing for Industries durchgeführt.

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Qualitätsoptimierung und Kostenanalysen zur Vorbereitung der Implementation additiver Fertigungsverfahren

Das primäre Ziel des Projekts AM 4 Industry bestand darin, ein Modell zu entwickeln, das die Vorteile der Integration von Additiver Fertigung in die Produktionstechnologien eines Unternehmens aufzeigt. Hierzu wurden sowohl die resultierenden Kosten als auch der durch die Produktion mit Additiver Fertigung generierte Benefit identifiziert.
Das Kosten-Nutzen-Modell soll ein für die Industrie praktikables Modell bieten, das den Vergleich verschiedener Produktionsmethoden für bestimmte Teile ermöglicht. Dadurch sollen Unternehmen befähigt werden, fundierte Entscheidungen über die potenzielle Einbeziehung der Additiven Fertigung in ihre Produktion zu treffen. Heutzutage basieren diese Entscheidungen oft auf unvollständigen Informationen, Teilkosten und unsachgemäßem Urteilsvermögen. 

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Einstieg in OpenFoam® und chtMultiRegion anhand eines anwendungsorientierten Beispiels

Im Rahmen des Projekts AM 4 Industry wurde die Auslegung und Simulation von konturnahen Kühlkanälen erforscht. Unter anderem wurde das Ziel verfolgt, WerkzeugbauingenieurenInnen ein Tool zur weiteren Optimierung von Kühlkanalgeometrien zur Verfügung zu stellen. Insbesondere bei der Gestaltung von konturnahen und regellosen Kühlkanälen kann die Simulation mit kommerziellen Simulationsprogrammen nicht ausreichend sein, weshalb zusätzliche Simulationsschritte erforderlich sind. Für diese zusätzlichen oder ergänzenden Simulationsschritte wurde bewusst der Fokus auf ein nicht kommerzielles Simulationsprogramm gelegt. Daher wurde für die Simulationen das Programm OpenFoam® (Open Source Field Operation and Manipulation) gewählt. OpenFoam® ist frei erhältlich und wird vorwiegend für die Lösung von Strömungsproblemen (CFD) verwendet. Es ist in C++ geschrieben und bringt bereits in der Basisversion nützliche Löser (Solver) mit sich. Darüber hinaus kann eine Vielzahl an weiteren Lösern adaptiert werden. Einer der größten Vorteile besteht darin, dass der Sourcecode und somit auch die Algorithmen frei zugänglich sind. Des Weiteren können die Codes und Berechnungen nahezu beliebig erweitert werden.

Anhand eines anwendungsorientierten Beispiels wird in diesem Handbuch der Aufbau und die Durchführung einer Simulation ausführlich erklärt. Für die Simulationen wurde der Löser „chtMultiRegion“ verwendet. Dieser wird allgemein für die Berechnung des Wärmeaustausches zwischen einem Festkörper und einem Fluid verwendet.

Ziel dieses Handbuchs ist es, PraktikernInnen in der Entwicklung, SimulationsingenieurenInnen und StudentenInnen einen anwendungsorientierten Einstieg in sowie einen Überblick über die Arbeit mit OpenFoam® zu geben. Die einzelnen Schritte wurden in neun Kapitel mit folgenden Inhalten eingeteilt:

  • Kapitel 1 und 2 geben einen allgemeinen Überblick über das Simulationsbeispiel sowie über die Simulationsstrukturen von OpenFoam®.
  • Kapitel 3 bis 6 zeigen, wie ein Simulationsfall in OpenFoam® aufgesetzt wird und welche Einstellungen erforderlich sind. Dabei wird genau auf die Erstellung des Rechengitters und die Zuordnung der Flächen eingegangen.
  • Kapitel 7 und 8 behandeln die Durchführung der Simulation. Dabei wird auf die Wahl der Randbedingung sowie auf die Theorie der Strömungssimulation eingegangen.
  • Kapitel 9 behandelt abschließend die Auswertungsmethoden, welche von OpenFoam® geboten werden sowie die Möglichkeiten zum Export der Ergebnisse für die weitere Verarbeitung.

Abschießend ist zu erwähnen, dass die OpenFoam®-Umgebung auf den ersten Blick durchaus befremdlich wirken kann, insbesondere, wenn üblicherweise auf Windows-Betriebssystemen gearbeitet wird. Hier ist mit Sicherheit Geduld gefragt. Es dauert eine gewisse Zeit, bis die Abläufe des Programms logisch erscheinen und bis Befehle, die für die Bedienung und Ausführung des Programms nötig sind, leicht von der Hand gehen. Dennoch wird sich eine intensive Einarbeitung in die Thematik lohnen, da sich so Simulationen weiter verfeinern und bessere Vorhersagen treffen lassen. Dies wiederum kann einen klaren Wettbewerbsvorteil bieten. In diesem Sinne: Happy Foaming!

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anhand eines anwendungsorientierten Beispiels