Thermisches Prozessfenster im Blick: Neue Simulationssoftware für den großformatigen 3D-Druck

Beim großformatigen 3D-Druck mit Thermoplasten wird ein Bauteil Bahn für Bahn und Schicht für Schicht aufgebaut. Mit jeder neuen Lage verändert sich jedoch die Temperaturhistorie der bereits abgelegten Struktur. Diese thermische Entwicklung beeinflusst sowohl die Verbindung zwischen den Schichten als auch die Stabilität und die späteren Eigenschaften des Bauteils.

Kühlt eine Schicht vor dem nächsten Materialauftrag zu stark ab, kann die Haftung zwischen den Lagen beeinträchtigt werden. Bleibt sie dagegen zu warm, besitzt die Struktur möglicherweise noch nicht die notwendige Steifigkeit, um weitere Schichten zu tragen. Verformungen oder im ungünstigsten Fall ein Kollaps des Bauteils können die Folge sein.

Die zuverlässige Bestimmung eines geeigneten thermischen Prozessfensters ist daher eine zentrale Voraussetzung für das Large Format Additive Manufacturing, kurz LFAM.

Thermisches Verhalten vor dem Druck abschätzen

Carlos Saunders, Prof. Dr.-Ing. Holger Seidlitz und Dr.-Ing. Lars Ulke-Winter entwickeln an der BTU Cottbus-Senftenberg einen eigenen Ansatz zur schnellen thermischen Simulation von LFAM-Prozessen.

Ziel ist es, potenziell kritische Temperaturbereiche bereits vor Beginn des eigentlichen Fertigungsprozesses zu erkennen. Auf diese Weise lassen sich Prozessparameter und Druckstrategien frühzeitig überprüfen und gezielt anpassen.

Klassische Finite-Elemente-Simulationen können das thermische Verhalten additiver Fertigungsprozesse detailliert abbilden. Ihre Einrichtung ist jedoch häufig mit einer aufwendigen Vernetzung, umfangreichen Modellvorbereitungen und langen Rechenzeiten verbunden.

Die entwickelte Software soll einen direkteren Zugang ermöglichen:

1. G-Code des Bauteils laden
2. Prozess- und Materialparameter definieren
3. thermische Berechnung ausführen
4. Temperaturentwicklung analysieren

Damit orientiert sich der Simulationsablauf unmittelbar an den Daten des geplanten Fertigungsprozesses.

Temperaturen einzelner Schichten analysieren

Die Software ermöglicht die Auswertung unterschiedlicher thermischer Kenngrößen. Dazu gehören die Temperaturen einzelner Schichten, lokale Temperaturverläufe sowie die räumliche Temperaturverteilung innerhalb komplexer Geometrien.

Eine dreidimensionale Visualisierung macht sichtbar, an welchen Stellen Wärme besonders lange im Bauteil verbleibt und welche Bereiche möglicherweise zu schnell abkühlen. Daraus können Hinweise für angepasste Fahrwege, Wartezeiten, Druckgeschwindigkeiten oder andere Prozessparameter abgeleitet werden.

Vergleich mit Simulation und Experiment

Der entwickelte Ansatz wurde sowohl mit kommerziellen FE-Simulationen als auch mit experimentellen Temperaturmessungen während realer Druckprozesse verglichen.

Für die Versuche kam PBT-CF30 zum Einsatz. Dabei handelt es sich um einen thermoplastischen Werkstoff, der mit 30 Gewichtsprozent Carbonfasern verstärkt ist. Die Untersuchungen zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen dem vorhergesagten und dem experimentell ermittelten thermischen Verhalten.

Gleichzeitig konnte der Aufwand für die Einrichtung und Durchführung der Simulation deutlich reduziert werden. Dadurch eignet sich der Ansatz besonders für eine frühzeitige Bewertung von Druckstrategien und Prozessvarianten.

Weniger Versuche und mehr Prozesssicherheit

Eine schnelle thermische Simulation kann dazu beitragen, die Zahl aufwendiger Versuchsreihen zu reduzieren. Kritische Bereiche lassen sich vor dem Druck erkennen, anstatt erst anhand eines fehlerhaften Bauteils sichtbar zu werden.

Daraus ergeben sich mehrere potenzielle Vorteile:

• weniger Trial-and-Error während der Prozessentwicklung
• geringerer Material- und Energieverbrauch
• schnellere Anpassung von Fertigungsstrategien
• höhere Prozessstabilität
• bessere Planbarkeit komplexer Bauteile
• geringeres Risiko thermisch bedingter Fehler

Die Simulation schafft damit eine wichtige Grundlage, um großformatige additive Fertigungsprozesse effizienter und zuverlässiger zu gestalten.

Beteiligte: Carlos Saunders, Prof. Dr.-Ing. Holger Seidlitz, Dr.-Ing. Lars Ulke-Winter