Das IMLS lässt sich durch die beiden Prozessschritte Selektives-Lasersintern (SLS) sowie durch eine nach­folgende Wärmebehandlung (Ofenprozess) charakterisieren. Aufgrund der hohen ein­ge­brachten Energiemenge zur gegenseitigen Verfestigung von Metallpartikeln im zweiten Prozessschritt wer­den physikalische Wirk­me­cha­nis­men, wie Schrumpf- und Schwellprozesse oder metallurgische Phasen­um­wand­lungen, induziert. Durch diese in­stationären Einflüsse wird die Maßhaltigkeit der hergestellten Bauteile herab­gesetzt, wodurch industrielle An­for­derungen nicht vollständig erfüllt werden können.

Durch die Entwicklung und Implementierung einer Simulationsmethodik soll der resultierende Bauteilverzug der Wärme­behandlung berechnet werden. Die geometrie- und prozessabhängigen Verzugswerte werden im An­schluss daran eingesetzt, um die betrachtete Struktur richtungsabhängig vorzuskalieren. Dadurch soll die Maß­hal­tig­keit des Verfahrens signifikant gesteigert werden.

Vorgehensweise

Zur Bestimmung des Strukturverhaltens während des Ofenprozesses werden dilatometrische Messungen bei unter­schiedlichen Heizraten aufgezeichnet. Diese charakterisieren thermische und thermoplastische Dehnungen in den Prozessphasen Festphasensintern, Infiltration und Flüssigphasensintern in infinitesimal kleinen Proben. Um das instationäre Strukturverhalten geometrieabhängig vorhersagen zu können, werden auf Basis der Mess­ergebnisse reaktionskinetische Materialmodelle abgeleitet, die über entsprechende Schnittstellen in die Simu­lation integriert werden können. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) werden auf Basis des zuvor be­rech­neten Temperaturfelds spezifische thermische und plastische Dehnraten für jedes Element ermittelt, die in Summe den resultierenden Bauteilverzug beschreiben. Weiterhin wird eine Methodik erarbeitet, die eine Vor­ska­lierung des Bauteilverzugs auf Basis des STL-Datenformats ermöglicht.

Ergebnisse

Das Forschungsvorhaben fokussiert sich auf die Herstellung von Formeinsätzen für den Spritzguss unter Ver­wen­dung eines neuartigen, metallischen Pulverwerkstoffs mit verbesserten thermischen und mechanischen Ei­gen­schaften. Um die Prozesssicherheit des generativen Verfahrens für diesen Werkstoff sicher zu stellen, waren so­wohl metallurgische als auch festigkeitsrelevante Untersuchungen erfor­der­lich. Da­durch konnte gezeigt werden, dass sich der Werkstoff grundlegend für die Werkzeugerstellung eig­net. Durch­geführte Dilatometeruntersuchungen weisen darüber hinaus auf ein verbessertes Verzugsverhalten gegen­über Vorgängerwerkstoffen hin. Weiterhin zeigt die Ermittlung von Kennwerten für die thermische Simu­lation mit Hilfe der Laser-Flash-Analyse (LFA) eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs.

12/2004-12/2007

3D Systems GmbH, CADFEM GmbH, Hartmann und Hartmann GmbH, KL Technik GmbH, NETZSCH-Gerätebau GmbH, Micro Mechatronic Technologies AG, PARItec GmbH

Bayerische Forschungsstiftung (Forschungsverbund ForWerkzeug)

• Münchener Kolloquium, 19. - 20. Februar 2006, www.muenchener-kolloquium.de
• Seminar Rapid Manufacturing,06. Juli 2006, iwb Anwenderzentrum Augsburg
• 3D-Erfahrungsforum Werkzeug- und Formenbau, 17. - 18.05.2006, Berlin
•  Wissenschaftssommer 2006, München
• 3D-Erfahrungsforum Werkzeug- und ormenbau, 30.05.-31.05.2007, München
• Seminar Rapid Manufacturing,05. Juli 2007, iwb Anwenderzentrum Augsburg
• Solid Freeform Fabrication (SFF) Symposium, 06.08.-08.08.2007, Austin, TX, USA

• Branner, G.: Optimierung des IMLS zur Herstellung von hochgenauen Formeinsätzen. Münchener Kolloquium 2006.
• Zäh, M. F.; Branner, G.; Hagemann, F.; Lutzmann, S.: Entwicklungstrends im Bereich Rapid Manufacturing. 3D-Erfahrungsforum Werkzeug- und Formen­bau, Berlin (2006), S. 263-276.
• Zäh, M. F.; Branner, G.; Hagemann, F.: Einführung in generative Fertigungs­verfahren und deren Anwendungsfelder. Rapid Manufacturing, Heutige Trends - Zukünftige Anwendungsfelder. Augsburg, München: Herbert Utz 2006, S. 1-21 -1-39. (iwb Seminarberichte 81).
• Zäh, M. F.; Branner, G.; Hagemann, F.: Chancen und Risiken des Werkzeug- und Formenbaus im globalen Wettbewerb. 3D-Erfahrungsforum: Innovation im Werkzeug- und Formen­bau, München (2007), pp.1-1 - 1-15.
• Zäh, M. F.; Branner, G.: Optimierung des Indirekten-Metall-Lasersinterns (IMLS) mit Hilfe von neuartigen Simulationsmethoden. 3D-Erfahrungsforum: Innovation im Werkzeug- und Formen­bau, München (2007), pp.7-1 - 7-11.
• Zäh, M. F.; Hagemann, F.; Kahnert, M.; Lutzmann, S.; Branner, G.: Generative Fertigungsverfahren. In: iwb Seminarberichte 86, Rapid Manufacturing, Erfolgreich produzieren durch innovative Fertigung. Augsburg: 2007.
• Zäh, M. F.; Branner, G.; Strasser, G.: Optimierung generativer Fertigungsprozesse mit Hilfe innovativer Simulationsmethoden. In: iwb Seminarberichte 86, Rapid Manufacturing, Erfolgreich produzieren durch innovative Fertigung. Augsburg: 2007.
• Zäh, M. F.; Branner, G.; Strasser, G.: Simulationsmethoden für die Entwicklung und Optimierung Metall verarbeitender, generativer Technologien. In: iwb newsletter Nr. 1/2, Jahrgang 15, Juli 2007. 
• Branner, G.; Strasser, G.; Zäh, M. F.: Process Chain for numerical simulation of Indirect-Metal-Laser-Sintering. In: Bourell, D. L. et al. (Hrsg.): Solid Freeform Fabrication Symposium Proceedings 18; Austin,Texas/USA. The University of Texas at Austin 2007.