Methode zur Simulationsbasierten Auslegung von Supportstrukturen beim selektiven Laserschmelzen von Metallen

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der simulationsbasierten Erzeugung von Stützstrukturen für metallbasierte Laser Beam Melting (LBM) Verfahren. Dazu wurde eine Methode entwickelt, welche simulationsbasiert den Verzug des Bauteils während des Aufbaus analysiert und Pin-Supports (Konus-Stützen) dort platziert, wo dieser am größten ist. Die Aufbausimulation des Bauteils erfolgt mit Hilfe einer Finite Elemente (FE) Rechnung unter Verwendung der Mechanical Process Equivalent (MPE) Methode. Nach dem Platzieren einer neuen Stütze wird die Simulation auf die Schicht zurück gesetzt, in welcher der Pin das erste mal einen Einfluss auf das Bauteil hat und von dort fortgesetzt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis der Aufbau des Bauteils vollständig abgeschlossen ist. Auf diese Weise wird eine Stützstruktur erzeugt, welche den mechanischen Anforderungen des Bauteils während des Aufbaus genügt und somit einen sicheren Fertigungsprozess gewährleisten soll. Diese Struktur wird um eine weitere, deutlich feinere Struktur ergänzt, welche die Prozesswärme aus dem Bauteil ableiten soll um Überhitzungseffekte zu vermeiden. Validiert wird die Methode anhand verschiedener Beispiele aus dem Dentalbereich. Dazu werden dentale Versorgungen aus einer Cobalt-Chrom Legierung mit diesen Stützstrukturen gefertigt. Die Darstellung der Pins in der Simulation erfolgt durch Dreibeine aus Linienelementen. Um den Aufbau des Materials der Stütze selbst zu berücksichtigen wird jedes neu aktivierte Dreibein mit einer effektiven Vorspannung versehen. Zur Abschätzung dieser initialen Belastung der Stützstruktur und um die generelle Robustheit der Methode zu beurteilen, wurden umfängliche Konvergenzanalysen für die Entwicklung der Spannungen und des Verzuges während der MPE Simulation durchgeführt.