Adaptive Bahnplanung reduziert Wärmeansammlungen beim metallischen 3D-Druck

Beim schichtweisen Aufbau metallischer Bauteile entscheidet nicht nur die Geometrie der einzelnen Auftragsbahnen über das Fertigungsergebnis. Ebenso wichtig ist die Reihenfolge, in der das Material aufgetragen wird.

Während des Directed Energy Deposition, kurz DED, wird fortlaufend Wärme in das entstehende Bauteil eingebracht. Abhängig von der gewählten Bahnplanung kann sich diese Wärme lokal ansammeln. Solche Temperaturspitzen können den Fertigungsprozess beeinflussen und sich unter anderem auf das Werkstoffverhalten, den Bauteilverzug und die Qualität des fertigen Bauteils auswirken.

Eine neue wissenschaftliche Veröffentlichung im Fachjournal „Results in Engineering“ untersucht daher, wie sich die Auftragsreihenfolge simulationsgestützt an die thermische Entwicklung des Bauteils anpassen lässt.

Thermal Adaptive Path Planning

Im Mittelpunkt der Forschungsarbeit steht das entwickelte Thermal Adaptive Path Planning, kurz TAPP. Dieser Ansatz nutzt die simulierte Temperaturverteilung, um zu bestimmen, welche Auftragsbahn im nächsten Prozessschritt ausgeführt werden soll.

Anders als bei einer vorab vollständig festgelegten Bahnplanung wird die Auftragsreihenfolge dabei schrittweise angepasst. Die Simulation bewertet zunächst den aktuellen thermischen Zustand des Bauteils. Anschließend wird auf Grundlage einer thermischen Kennzahl eine geeignete nächste Schweiß- beziehungsweise Auftragsbahn ausgewählt.

Dadurch entsteht ein iterativer Prozess:

1. Temperaturverteilung im Bauteil simulieren
2. thermische Belastung der möglichen Auftragsbereiche analysieren
3. nächste Auftragsbahn auswählen
4. digitale Bahnplanung aktualisieren
5. Prozess erneut simulieren und weiter optimieren

Ziel ist es, stark erwärmte Bereiche zunächst zu umgehen und den Materialauftrag in thermisch günstigere Bereiche zu verlagern. Auf diese Weise kann sich die bereits eingebrachte Wärme gleichmäßiger im Bauteil verteilen.

Bidirektionale Kopplung von MATLAB und ANSYS

Technisch umgesetzt wurde der Ansatz mithilfe einer bidirektionalen Kopplung zwischen MATLAB und ANSYS. Ein transientes thermisches Finite-Elemente-Modell auf Basis der ANSYS DED Toolbox berechnet die jeweils aktuelle Temperaturverteilung.

Die Simulationsergebnisse werden an eine externe MATLAB-Umgebung übergeben. Dort erfolgt die simulationsgestützte Auswahl der nächsten Auftragsbahn. Die aktualisierte Planung wird anschließend wieder in den Simulationsablauf zurückgeführt.

Dieser wechselseitige Datenaustausch ermöglicht es, Simulation und Bahnplanung wiederholt miteinander interagieren zu lassen. Das thermische Verhalten wird somit nicht erst nach Abschluss einer vollständigen Simulation bewertet, sondern beeinflusst unmittelbar die weitere digitale Prozessplanung.

G-Code als Verbindung zur Fertigung

Die optimierten Werkzeugbahnen können über eine G-Code-Integration in einem fertigungsnahen Format abgebildet werden. Damit entsteht eine mögliche Verbindung zwischen der simulationsgestützten Entscheidungsfindung und der späteren Ausführung an einer Fertigungsanlage.

Der entwickelte Rahmen vereint somit mehrere Prozessschritte in einer digitalen Umgebung:

• physikbasierte thermische Simulation
• adaptive Auswahl der Auftragsreihenfolge
• iterative Optimierung der Werkzeugbahnen
• Übertragung der Planung in ein ausführbares Format

Die Forschungsarbeit schafft damit eine Grundlage für Fertigungsstrategien, bei denen Simulationsergebnisse nicht nur der nachträglichen Bewertung, sondern der aktiven Prozessplanung dienen.

Bis zu 9,9 Prozent geringere Temperaturen

Untersucht wurde der Ansatz anhand von AISI-316L-Edelstahl. Durch die simulationsgestützte Anpassung der Auftragsreihenfolge konnten die berechneten Temperaturen im Vergleich zur ursprünglichen Strategie um bis zu 9,9 Prozent reduziert werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass bereits die Reihenfolge der einzelnen Auftragsbahnen einen messbaren Einfluss auf die thermische Belastung des Bauteils haben kann. Eine gleichmäßigere Temperaturverteilung kann dazu beitragen, lokale Wärmeansammlungen zu vermeiden und thermisch bedingte Prozessabweichungen zu reduzieren.

Experimentelle Validierung mittels WAAM

Zur Überprüfung des Simulationsmodells wurden experimentelle Untersuchungen mit Wire Arc Additive Manufacturing, kurz WAAM, durchgeführt. Dabei wurde AISI-316L-Edelstahl mithilfe eines lichtbogenbasierten Verfahrens und drahtförmigen Zusatzwerkstoffs schichtweise aufgetragen.

Die während des Fertigungsprozesses entstehenden Temperaturen wurden mittels Infrarotthermografie erfasst und anschließend mit den simulierten Temperaturverläufen verglichen.

Mit einem Bestimmtheitsmaß von R² = 0,91 zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und experimentellen Messungen. Die Validierung bestätigt damit, dass das entwickelte Modell das thermische Verhalten des untersuchten Prozesses mit hoher Übereinstimmung abbilden kann.

Von der Prozessbewertung zur adaptiven Planung

Der entscheidende Fortschritt liegt in der veränderten Rolle der Simulation. Sie wird nicht ausschließlich eingesetzt, um eine bereits festgelegte Fertigungsstrategie zu überprüfen. Stattdessen fließen ihre Ergebnisse unmittelbar in die Auswahl der nachfolgenden Auftragsbahnen ein.

Die Simulation wird damit zu einem aktiven Bestandteil der digitalen Prozessplanung. Dieser Ansatz eröffnet neue Perspektiven für intelligentere und stärker automatisierte Fertigungsstrategien, die sich am jeweils aktuellen thermischen Zustand des entstehenden Bauteils orientieren.

Perspektivisch können solche simulationsbasierten Methoden dazu beitragen, Wärmeansammlungen zu reduzieren, die Prozessstabilität zu erhöhen und die Qualität additiv gefertigter Metallbauteile zu verbessern.

Den Forschungsbeitrag gibt es hier zum Nachlesen.

Publikation: Fachjournal „Results in Engineering“
Autoren: Moein Pakdel Sefidi, Vamshi Mashetty, Gökhan Ertugrul, Sebastian Härtel, Ralf Ossenbrink, Klaus Schricker
Werkstoff: AISI 316L
Validierung: Wire Arc Additive Manufacturing und Infrarotthermografie