Entwicklungsbeispiel additiv gefertigter Mittelkonsolenträger (3D-Druck) – Simulative Auslegung

Für die Produktion einer Mittelkonsolen-Tragstruktur aus Thermoplast für ein Automobil soll die additive Fertigung (3D-Druck) erschlossen werden, um bei kleineren Stückzahlen die Kosten im Vergleich zu einer Spritzgussproduktion zu senken. Zudem sind Möglichkeiten der Individualisierbarkeit von Vorteil. Dieses Entwicklungsbeispiel zeigt die simulative Auslegung dieses additiv gefertigten Strukturbauteils.

Ziel: Strukturmechanische Eigenschaften des gedruckten Strukturbauteils vorhersagen

Ziel dabei ist es, thermische Analysen des Bauteils während des Druckprozesses durchzuführen und auf dieser Basis Aussagen über die mechanischen Bauteileigenschaften treffen zu können. Dabei sind vor allem die Verbindungsfestigkeit zwischen den Druckschichten und die Deformation aufgrund des Abkühlverhaltens von Relevanz. Eine virtuelle Absicherung des Druckprozesses über Simulation ist die Basis für eine Optimierung im Entwicklungsprozess dieses additiv gefertigten Strukturbauteils.

Konflikt zwischen Verbindungsfestigkeit vs. prozessrelevanter Kühlung

Die Herausforderung ist es, den Prozess thermisch realitätsnah nachzubilden und die in der thermischen Prozesssteuerung auftretenden Zielkonflikte bestmöglich aufzulösen. Diese bestehen einerseits aus einer möglichst hohen Resttemperatur der überdruckten Materiallage für eine hohe Verbindungsfestigkeit und anderseits aus einer möglichst starken Kühlung für die Formbeständigkeit und Standfestigkeit des Bauteils im Druckprozess. Zudem beeinflusst das Abkühlverhalten während des Druckprozesses den Bauteilverzug.

Simulationsmethode für Temperaturdifferenzen der Materiallagen – neu von M.TEC entwickelt

Um die Temperaturdifferenzen zwischen den Materiallagen während des Druckvorgangs ermitteln zu können, hat M.TEC eine eigene Simulationsmethode entwickelt. Damit kann eine Aussage über die mechanische Verbindungsfestigkeit der Druckschichten getroffen werden. Im Gegensatz zu bisherigen Methoden wird bei der Simulationsroutine von M.TEC diese Verbindungsfestigkeit durchgängig lokal abgebildet, so dass eine genau aufgelöste Bewertung der gedruckten Geometrie möglich ist.

Diese von M.TEC neu entwickelte 3D-Druck-Simulation ermöglicht für additiv gefertigte Kunststoffteile folgendes Vorgehen zur Optimierung des Druckprozesses:

1. Automatischer Modellaufbau auf Basis der Geometrie- und Maschinendaten
2. Thermische Prozesssimulation des Druckvorgangs mit M.TEC-Routine
3. Mechanische Verzugssimulation des Bauteils

Ergebnisse dieser Simulation für die additive Fertigung

• Simulation sehr realitätsgetreu
  Bauteilmessungen des Mittelkonsolenträgers mit einer Wärmebildkamera während des Druckprozesses zeigen eine sehr hohe Übereinstimmung zwischen der Simulation und den realen Temperaturen in diesem technischen Kunststoffbauteil über den gesamten Druck- und Abkühlprozess hinweg
• Belastbare Aussagen zur Strukturmechanik
  Die simulierten Temperaturdifferenzen sind entsprechend sehr realitätsnah, wodurch Aussagen über die mechanischen Bauteileigenschaften äußerst belastbar sind
• Verzugssimulation gleichermaßen präzise
  Die aufbauende Verzugssimulation zeigt ein Deformationsbild, das eine gute Übereinstimmung mit 3D-Scans des gedruckten Bauteils zeigt.

Kundenvorteile mit M.TEC-Simulation 3D-Druck Kunststoffteile

Mit der Simulationslösung von M.TEC für den 3D-Druck von technischen Kunststoffbauteilen ergeben sich folgende Vorteile für Sie:

• Identifizierung von Bauteilzonen, die während des Druckprozesses thermisch kritisch sind, als Grundlage zur Prozess- und Designoptimierung
• Beurteilung der mechanischen Bauteileigenschaften (bei unterschiedlichen Kühlungskonzepten, Druckgeschwindigkeiten etc.)
• Beurteilung von Maßhaltigkeit/des Verzugs und der inneren Spannungen des Bauteils
• Hohe Reduzierung von Testdrucken, Entwicklungszeit und Kosten