Erweiterung der Verfahrensgrenzen beim Laser-Strahlschmelzen durch simulationsgestützte geometrieangepasste Belichtungsstrategien

Die additive Fertigung mittels PBF-LB/M weist insbesondere bei der Herstellung von Überhängen Probleme auf. Durch die bisher unzureichende Anpassung der Prozessparameter an derartige Geometriebereiche entstehen für die Bauteile konstruktive Restriktionen bzw. notwendige Supportstrukturen. Ziel von SimSlice ist die supportfreie Herstellbarkeit von Überhangflächen bei gleichzeitiger Verringerung der Rauigkeit und hoher Geometrietreue. Der Hatching-Prozess wird hierbei durch die geometrie-adaptive Anpassung der lokalen Größe von Teilbelichtungsflächen und der entsprechenden Ausrichtung der Scanvektoren automatisiert und optimiert. Für die Teilbelichtungsflächen werden Voronoi-Strukturen genutzt, die bei entsprechender Parametrisierung die Größe der Flächen ortsdiskret einstellbar machen. Durch ein quantitatives, auf der Finite-Differenzen-Methode basierendes Simulationsverfahren wird die Wärmeverteilung scanvektorgenau beschrieben und daraus eine optimale Reihenfolge für das Aufschmelzen der Teilbelichtungsflächen errechnet. Die versuchsgestützte Evaluierung eines möglichen Prozessfensters für die Anlagenparameter passt die bereits reihenfolge-optimierten Teilbelichtungsflächen weiter an. Im Ergebnis liegt ein Software-Demonstrator vor, der die Berechnung und Optimierung der voronoi-basierten Belichtungsstrategien für die sichere Herstellung der Down-Skin-Flächen ermöglicht. Die Validierung der Ergebnisse erfolgt an industriellen Demonstrator-Bauteilen im Werkstoff AlSi10Mg. Die so erzielte Verlagerung von Anwenderwissen in eine Softwarelösung ermöglichst es insbesondere KMU, komplexere Geometrien mit höherer Qualität im additiven Fertigungsprozess zu erzeugen. Die dadurch unterstützte First-Time-Right-Fertigung bedeutet einen unmittelbaren Wettbewerbsvorteil für deutsche KMUs, insbesondere durch die unmittelbare Anwendbarkeit auf bestehender Anlagentechnik ohne erforderliche Hardware-Investitionen, ohne Umbau und ohne Umstellung des physischen Fertigungsprozesses.