Simulation des Schwindungsverhaltens im Fused Deposition Modeling Verfahren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Additive Fertigung ist ein Fertigungsverfahren, dass sich durch das schichtweise Generieren von Bauteilen auszeichnet. Der schichtweise Aufbau ermöglicht während des Fertigungsprozesses eine nahezu unbegrenzte Zugänglichkeit zu jedem Bereich des zu fertigenden Bauteils. Hieraus resultieren neue Potentiale hinsichtlich der Gestaltung komplexer Bauteilstrukturen, die konventionell durch z. B. zerspanende Fertigungsverfahren, wenn überhaupt, nicht wirtschaftlich fertigbar sind. Das Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren ist ein weit verbreitetes additives Fertigungsverfahren. Als Ausgangsmaterial dient ein thermoplastisches Kunststofffilament. Dieses wird durch eine Vorschubeinrichtung in den sogenannten, im beheizten Bauraum befindlichen, FDM-Kopf gefördert und dort in einer beheizten Düse plastifiziert. Durch das nachgeschobene Material wird aus der Düsenöffnung ein plastifizierter Kunststoffstrang ausgetragen. Bei der im Projekt verwendeten Anlage, einer „Fortus 400mc large“ der Firma Stratasys wird der Strang durch die Bewegung der Düse in der XY-Ebene definiert in der jeweiligen Schicht abgelegt. Hierfür wird zunächst die Kontur und anschließend die Füllung der Querschnittsfläche der jeweiligen Schicht des Bauteils aufgetragen. Im Anschluss wird die Bauplatte um eine Schichtdicke abgesenkt und der Ablageprozess beginnt für die nachfolgende Schicht. Durch den sukzessiven Aufbau des Bauteils aus einzelnen, plastifizierten Kunststoffsträngen entstehen komplexe Abkühlprozesse. Aus diesen Abkühlprozessen resultiert eine anisotrope Schwindung, auch Verzug genannt, des finalen Bauteils. In vorangegangenen Untersuchungen konnte KNOOP zeigen, dass die in der Praxis etablierten linearen Schwindungsfaktoren bei den untersuchten Prüfkörpern nur für spezifische Nennlängenbereiche gelten. Bisher werden Bauteile in einem iterativen Prozess aus wiederholtem Fertigen und Messen angepasst, um eine bessere Maßgenauigkeit zu erreichen. Aufgrund der langen Prozesszeiten ist dieses Vorgehen nicht wirtschaftlich. Daraus wurde der Forschungsbedarf abgeleitet, eine Möglichkeit zu entwickeln, unterschiedliche Schwindungsfaktoren situationsgerecht bereits in der CAD-Datei auf verschiedene Bereiche des Bauteils anzuwenden. Im Rahmen des Projekts wurde zunächst die im Antrag angedachte Vorgehensweise verfolgt. Im Laufe der Untersuchungen hat sich die angedachte Vorgehensweise jedoch als nicht zielführend erwiesen. Statt der vorgeschlagenen Abkühlsimulation wurde im weiteren Verlauf des Projekts auf eine Modellierung (DOE) des Schwindungsverhaltens von Rasterlinien und der geometriespezifischen volumetrischen Schwindung von Bauteilen zurückgegriffen. Diese Modellierung wird durch eine im Projekt entwickelte Software situationsgerecht und in Abhängigkeit von der im späteren Fertigungsprozess zu verwendenden Prozessparameter lokal angewandt. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelte Methodik die Maßhaltigkeit einfacher Geometrien, über die mit linearen Skalierungsfaktoren erzielte Maßhaltigkeit hinaus verbessert werden kann. Zudem können mit der in diesem Projekt entwickelten Methodik auch durch volumetrische Schwindung induzierte Formabweichungen kompensiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Investigation of the Process Parameter Dependent Shrinkage Behavior of Raster Lines in the Fused Deposition Modeling Process, Proceedings of the 33rd Annual Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, Texas, USA, 2022.
E. Moritzer & F. Hecker
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Validation and Comparison of FEM-Simulation Results of the Fused Deposition Modeling Process under Consideration of Different Mesh Resolutions, Proceedings of the 33rd Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, Texas, USA, 2022.
E. Moritzer & F. Hecker
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Adaptive Scaling of Components in the Fused Deposition Modeling Process. Macromolecular Symposia, 411(1).
Moritzer, Elmar & Hecker, Felix
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Compensation of the Shrinkage Behavior Occurring in Cylindrical Components in the FDM Process. Macromolecular Symposia, 411(1).
Koers, Thorsten & Magyar, Balázs
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Compensation of the shrinkage behaviour occurring in cylindrical components in the FDM process, 6th International Conference Polcom, Bukarest, Rumänien, 2022.
Koers, Thorsten & Magyar, Balázs
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Investigation of the deposition velocity related temperature deviations for high temperature materials in the FDM process. AIP Conference Proceedings, 2884, 170001. AIP Publishing.
Moritzer, Elmar; Hecker, Felix; Wächter, Julian & Knaup, Felix
