diAMpro
F?rderstelle
BMBF (LuFO V - 3)
Vorhabensbeschreibung
Im Rahmen des Partnervorhabens ?Integrative Simulationen von Komponenten der ALM Prozesskette“ werden innovativen Simulationsmethoden für verschiedene Komponenten der ALM Prozesskette entwickelt, sodass die im Verbundprojekt entwickelten Simulationsmethoden die gesamte AM Prozesskette abbilden. Mit Hilfe der Simulationen k?nnen Prozessparameter in verschiedenen Stationen der ALM Produktionskette im Vorfeld angepasst werden, um Prozessabbrüche zu vermeiden, die Bauteilqualit?t zu verbessern und die Produktivit?t zu steigern. In einer digitalisierten AM Prozesskette k?nnen die Simulationen mit von den AM Anlagen gemessenen Input-Daten automatisiert gestartet werden und bilden den Kern für eine erfolgreiche Selbstadaption der Anlagen. Dies stellt eine Weiterentwicklung der bereits bestehenden AM Produktionssysteme hin zu intelligenten, adaptiven Fertigungsnetzwerken (smart factory) dar und ist ein bedeutender Schritt zur Etablierung der Luftfahrtbranche als Leitmarkt der Industrie 4.0.
Kurzfassung
Wegen der flexiblen Einsetzbarkeit und hohen Designfreiheit haben additive Fertigungsverfahren gerade in der Luftfahrtindustrie, in der Leichtbaustrukturen von au?erordentlichem Interesse sind, ein gro?es Potential. Topologieoptimierte Strukturen versprechen erhebliche Material- und somit auch Gewichtseinsparungen. Ihre Herstellung w?re mit konventionellen Verfahren unm?glich und kann nur mit additiven Fertigungsverfahren realisiert werden.
Ziel des Verbundprojektes diAMpro war die Entwicklung einer digitalen, automatisierten und selbstadaptierenden ALM-Fertigungskette. Für eine selbstadaptierende Fertigungskette sind Simulationen des Aufbauprozesses und der unterschiedlichen Nachbearbeitungsschritte unabdingbar. Damit k?nnen Einflüsse von Prozessparametern und kritische Bauteile noch vor Beginn des entsprechenden Prozesses identifiziert und angepasst werden. Auf Basis von gegebenen Bauteilgeometrien k?nnen Simulationen innerhalb einer digitalen Prozesskette zur automatisierten Adaption genutzt werden.
Konkret sollten dazu Simulationsmethoden für die Prozesssimulation, die W?rmenachbehandlung und das Hei?isostatische Pressen (HIP) (weiter-)entwickelt werden, die es erm?glichen, die Entstehung bzw. den Verlauf von Eigenspannung und Verzug im Vorfeld vorherzusagen. Um die industrielle Anwendbarkeit und Verwendbarkeit der entwickelten Methoden sicherzustellen, sollten au?erdem Schnittstellen zur Kopplung der Simulationsmethoden untereinander und zur Integration in eine digitale Prozesskette (m?gliche Anbindung an Datenmanagement) entwickelt werden. Die Hauptziele des Projektes lassen sich in den folgenden Punkten zusammenfassen:
- Bestimmung der Einsatzm?glichkeiten der MPE Methode zur Simulation von Eigenspannungen und Bauteilverzug w?hrend des Aufbaus, ggf. Erweiterung der Methode (Prozesssimulation)
- Entwicklung einer Methode zur Simulation von Eigenspannung und Verzug bei der W?rmenachbehandlung und des HIP Prozesses
- Schnittstellen und Methodenentwicklung zur Kopplung der Simulationsmethoden untereinander und zur Integration in eine digitale Prozesskette
Thermische Inh?rente Dehnungen
Dieser Schritt stellt die neue Version der MPE-Methode unter Einbeziehung thermischer Inhomogenit?t dar und wird im Folgenden kurz mit MPE-T bezeichnet. Hierbei wird für den Aufbau eines Bauteils bzw. eines Baujobs zun?chst mit Hilfe der makroskopischen thermischen Simulationsmethoden das Temperaturfeld berechnet. Dann wird in der reduzierten mechanischen Simulation eine FEM-Schicht nach der anderen, wie auch in der klassischen MPE Simulation, spannungsfrei aktiviert, eine inh?rente Dehnung ε* einfügt und in einer elasto-plastischen Berechnung das mechanische Gleichgewicht bestimmt. Die inh?rente Dehnung wird nun aber in Abh?ngigkeit der vorherrschenden Temperatur gew?hlt, d. h. ε*(T) . Zudem werden die mechanischen Materialeigenschaften (E-modul, Poissonzahl, Flie?grenze) bei der Berechnung des mechanischen Gleichgewichts ebenfalls temperaturabh?ngig gew?hlt und es wird die thermische Ausdehnung des Materials in jedem Schritt berücksichtigt.
Simulation von HIP & W?rmebehandlung
Mit blo?en Auge l?sst sich das Absinken des Armes und Kippen des oberen Teils auf der linken Seite der Probe bereits erkennen. Noch deutlicher wird dies in den Koordinatenmessungen, die im Folgenden Teil mit den Simulationen verglichen werden.
Der Vergleich der Verzüge konnte zun?chst nicht reproduziert werden, da laut Simulation nahezu kein Verzug der Proben auftritt. Im n?chsten Schritt wurden die zum Kriechmodell geh?rigen Parameter so angepasst, dass einer der verzogenen Arme von der Baumproben mit dem gemessenen Verzug übereinstimmt. Dies war zwar für einen einzelnen Arm m?glich, jedoch l?sst sich mit diesem Vorgehen immer nur der Verzug von einem der vier Arme reproduzieren. Die vier Arme der Probe haben alle einen anderen Winkel zum Boden/Standfu?, der unterschiedliche gravitationsbedingte Spannungen in diesen Armen verursacht. Dies legt wiederum die Vermutung nahe, dass der Zusammenhang zwischen den entstehenden Kriechdehnungen zum vorherrschenden Spannungszustand die Realit?t nicht gut wiedergibt.
Gleichzeitig weist die Form der Verzüge deutlich auf gravitationsbedingte Effekte hin und daher wurde das Materialmodell nochmals erweitert und für niedrige Spannungen ein linearer Zusammenhang zwischen Kriechdehnungen und deviatorischen Spannungen angenommen. Die zugeh?rigen Parameter für das überarbeitete Kriechmodell wurden erneute kalibriert, in dem der Verzug eines Armes gefittet wurde. Auf diese Weise konnte der Verzug auch für alle anderen Arme in guter ?bereinstimmung reproduziert werden. Die Validierung der Methoden zur HIP-Makrosimulation konnte nach der Erweiterung des Materialmodels somit erfolgreich abgeschlossen und die Notwendigkeit der Berücksichtigung unterschiedlicher funktionaler Zusammenh?nge zwischen Spannung und Kriechdehnung bei hohen bzw. niedrigen Vergleichsspannungen nachgewiesen werden.
Die Verzüge in den hier betrachteten Experimenten sind also mit hoher Sicherheit nahezu vollst?ndig durch die Gravitation und nicht durch Eigenspannungen aus dem PBF-LB/M im Bauteil verursacht worden. Trotzdem hat sich die Vermutung, dass Eigenspannungen i.A. einen Einfluss auf den Endverzug haben k?nnen ebenfalls best?tigt. Selbst Proben, die im as-build Zustand nur wenig Verzug aufweisen k?nnen durch den Abbau der Spannungen in den Nachbearbeitungsschritten Verzüge aufweisen. Dies kann mit den entwickelten Methoden berechnet werden (daher ist auch das Norton/Power-Law creep für hohe Spannungen nach wie vor wichtiger Bestandteil des Modells).
