DexPro - Entwicklung eines Dexel-basierten Geometriesimulationsmodells zur Analyse der Prozessstabilität und Herstellbarkeit von großvolumigen DED-Strukturen

Directed Energy Deposition (DED), eine Verfahrensklasse der additiven Fertigung, sind für die charakteristische hohe Auftragsrate und das größere Auftragsvolumen im Vergleich zu pulverbettbasierten (PBF) Ver-fahren bekannt. DED ist eine additive Fertigungstechnologie, die auf dem klassischen Schweißverfahren basiert, mit dem 3D-Metallbauteile aus CAD-Daten durch schichtweises Auftragen erzeugt werden. Der Bearbeitungskopf bewegt sich auf einem vorher festgelegten Vektorpfad von einer Schicht zur Nächsten und setzt den Bauprozess auf der vorherigen Schicht fort, wodurch ein 3D-Bauteil entsteht. Die Verwendung eines Industrieroboters oder eines Portalsystems für die Anbringung des Auftragskopfes ermöglicht die Herstellung von Strukturen, die mehrere Meter lang sein können. Im Bauwesen wurden bereits Brückenteil von bis zu 12 m Länge mit dieser Technologie hergestellt. In der Luft- und Raumfahrt wurden Strukturbauteile aus Ti-Legierungen mit Auftragsraten von mehr als 2.500 cu.cm. pro Stunde gedruckt. Im Vergleich dazu kann mit der PBF-Technologie nur eine maximale Bauhöhe von 850 mm erreicht werden, die durch die Prozesskammer begrenzt ist. Typisch ist eine Aufbaurate von 10 - 40 cu.cm pro Stunde.

In der Regel werden DED-Prozesse für die Herstellung von endkonturnahen Bauteilen für den Zerspanungsprozess verwendet, wodurch das Buy-to-Fly-Verhältnis1 bei bestimmten Bauteilen von 20:1 auf 4:1 reduziert werden kann, was wiederum zur Ressourceneffizienz beiträgt. Obwohl DED-Prozesse eine ressourcenschonende Herstellungsweise für Luft- und Raumfahrtmaterialien aus Ti- und Ni-Legierungen darstellen, ist eine weit verbreitete Industrialisierung im Vergleich zu Pulverbettverfahren noch nicht zu erkennen. Dies liegt vor allem an den technischen Herausforderungen, die mit dem Prozess selbst und auch mit der CAD/CAM-Prozessplanung und Simulation verbunden sind. Durch hohe Auftragsraten wird auch mehr Material und Wärme in das Substrat eingebracht, weshalb auch Eigenspannungen und Verformungen größer sind. Bindefehler zwischen zwei Schweißlinien mit hoher Auftragsrate sind groß genug, um eine Rissbildung unter Spannung auszulösen. Um wärmeinduzierte und werkzeugbahninduzierte Defekte zu vermeiden, ist eine optimierte Prozessstrategie erforderlich, welche einen optimierten Prozessparametersatz in Kombination mit einer intelligenten und geometrieabhängigen Werkzeugbahnsequenzierung umfasst. Dies wird vorwiegend durch einen iterativen Prozess erreicht. First Time Right ist im heutigen Szenario nicht möglich, stellt jedoch eine wichtige Zielstellung dar, um diese Technologie wirtschaftlich tragfähig zu gestalten.

Diverse Forschungsprojekte und industriegeführte Projekte haben sich mit der Industrialisierung von DED-Verfahren befasst und zur Entwicklung verschiedener Methodologien geführt. FEA-basierte Simulationsmodelle, die auf einem numerischen Ansatz basieren, sind die vorherrschende Methodik zur Vermeidung iterativer Prozessoptimierung. Diese Lösungen sind je-doch in der Regel sehr rechenintensiv und erfordern umfangreiches Know-how und Fachwissen, wodurch dieser Ansatz auf Forschungsinstitute und große Unternehmen beschränkt ist. Andererseits sind CAD/CAM-Softwarepakete, die mit DED-Modulen ausgestattet sind, für die kinematische Simulation geeignet, aber es fehlt die Prozesssimulation und Prozessvorhersage. Für eine breitere Industrialisierung der DED-Verfahren ist es jedoch notwendig, einfache Werkzeuge (Software Tool) für die Auslegung der Prozessstrategie zu entwickeln. Davon sollen insbesondere kleinere Unternehmen profitieren und die Einstiegshürde in diese Ressourcen- und kosten- sparende Technologien werden reduziert.

Das angestrebte Projekt zielt daher darauf ab, eine alternative Methodik im bekannten CAD/CAM-Bereich anstelle des hochkomplexen FEA-Bereichs zu entwickeln. Erreicht wird dies durch die Entwicklung eines Dexel-basierten Geometriesimulationsmodells zur Prozessoptimierung, mit anschließender Prozessstabilitätsanalyse im virtuellen Umfeld. Ein Dexel-Modell verwendet ein Gitter aus Linien- oder Würfelsegmenten in einer bestimmten Richtung, um ein Volumen darzustellen. Diese Dexel-Modelle werden häufig in der Zerspanungssimulation verwendet, um das abzutragende Volumen simulieren zu können. Eine grafische Darstellung der unterschiedlichen Modellierungsansätze einschließlich des Dexel-Ansatzes ist in Abbildung 1 zu sehen.

Zielsetzung und Vorgehensweise

Zur Erreichung dieses Ziels wird das Vorhaben in drei Themenschwerpunkte gegliedert (vgl. Abbildung 1). Zunächst müssen Prozesse, Akteure und Ressourcen im Umfeld der Werkstatt modelliert werden. Auf Basis dieses Models kann evaluiert werden, inwieweit einzelne Prozessschritte wirtschaftlich automatisiert werden können. Dies geschieht unter Einbeziehung des Prozesswissens der Werkenden. Durch die Kombination von Cobot und FTS soll die Autonomie und Flexibilität des Gesamtsystems gesteigert werden. Auf Basis der zuvor identifizierten Automatisierungspotenzialen werden dem System durch den Werkenden gezielt Handhabungs- und Transportprozesse erlernt.

Abschließend findet ein dynamisches Scheduling der eingesetzten Ressourcen zur Maximierung des Nutzens statt. Hierbei werden sowohl klassischen als auch KI-basierte Methoden zur Lösung des Optimierungsproblems betrachtet und evaluiert.

Die Forschungsziele sind hierbei die Folgenden:

• Ersetzen der zeit- und rechenintensiven FEA-Simulation durch schnellere Dexel-basierte Geometriesimulation in einer gewohnten CAD/CAM Umgebung für DED Prozess Optimierung
• Entwicklung von vereinfachten Algorithmen und semi-empirischen Modellen für die Geometriemodellierung
• Vorhersage der Prozessstabilität und Herstellbarkeit von großvolumigen DED-Strukturen, um Prozessabbrüche und -defekte zu vermeiden

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben DexPro (22714 N) der Forschungsvereinigung Programmiersprachen für Fertigungseinrichtungen (FVP) e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Förderzeitraum begann im Januar 2023 und endete im Juni 2025.