Erst simulieren, dann produzieren

Constantin Zenz entwickelte eine Simulation, die bereits vor dem Druck eines dreidimensionalen, metallischen Werkstücks Aussagen über das fertige Produkt zulässt. Dadurch soll bereits der erste Produktionsversuch gelingen.

Wie lassen sich Fehler beim 3D-Druck von Metall vermeiden, bevor sie überhaupt entstehen? Eine Antwort auf diese Frage liefert Constantin Zenz, der sich im Rahmen seiner Dissertation mit den komplexen physikalischen Prozessen beim lasergestützten 3D-Druck befasst hat. Das Ergebnis: Ein Simulationsmodell, das ebendiese Vorgänge abbildet und den metallischen 3D-Druck effizienter macht. Nun wurde er mit dem Resselpreis, verliehen durch das Rektorat der TU Wien, ausgezeichnet.

Mehr Physik, weniger Annahmen

Beim metallischen 3D-Druck trägt eine Maschine feines Metallpulver Schicht für Schicht auf. Ein Laser schmilzt gezielt jene Bereiche auf, aus denen das Bauteil entstehen soll. Obwohl das Verfahren bereits vielfach industriell eingesetzt wird, ist es nicht einfach, Bauteile zuverlässig und fehlerfrei herzustellen. Laserleistung, Geschwindigkeit, Material und zahlreiche weitere Parameter beeinflussen das Ergebnis. Gleichzeitig laufen beim Schmelzen und Erstarren des Metalls viele physikalische Prozesse ab, die miteinander zusammenhängen.

Zenz entwickelte daher ein mathematisches Modell, mit dem sich diese Vorgänge möglichst realitätsnah am Computer abbilden lassen. Sein Ansatz lautete dabei: „Mehr Physik in das Modell hineinbringen und weniger vereinfachende Annahmen treffen.“ Frühere Modelle mussten oft nach einem Experiment an dessen Ergebnisse angepasst, also nachträglich kalibriert werden. Die neue Simulation soll hingegen möglichst genau vorhersagen, was unter bestimmten Bedingungen geschieht – ohne, dass es Experimente zum Abgleich der Vorhersage braucht.

Fertigungsprozesse können so bereits digital abgebildet werden, bevor an der Maschine zeit- und materialaufwendige Versuche beginnen. Das Ziel ist eine „First time right“-Produktion: Das gewünschte Bauteil soll möglichst gleich beim ersten Anlauf gelingen. Das spart Zeit, Energie und Ressourcen – ein wichtiger Faktor, da sowohl die Herstellung des Metallpulvers als auch der Druckprozess energieintensiv sind. Eine Simulation kann zudem neue Bauteilgeometrien ermöglichen, wie beispielsweise besonders dünne Wände, und so zu weiteren Verbesserungen führen.

Von der Forschung in die industrielle Anwendung

Die hohe Genauigkeit der Simulationen bringt allerdings auch eine Herausforderung mit sich. „Unsere Simulationen sind rechenintensiv und brauchen daher einiges an Zeit, bis sie Ergebnisse liefern“, erklärt Constantin Zenz. „Während die Rechenzeit in der Forschung zwar eine untergeordnete Rolle spielte, ist sie für den Einsatz in der Industrie entscheidend. Ein nächster Schritt besteht daher darin, die Berechnungen deutlich zu beschleunigen“, erklärt der Resselpreisträger.

Bereits die Dissertation entstand in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern. Die entwickelten Modelle wurden von ihnen eingesetzt, um Produktionsprozesse zu verbessern und Fehlerursachen zu identifizieren. Konkret kann mithilfe der Simulation zum Beispiel herausgefunden werden, warum bei bestimmten Einstellungen Risse im Material entstehen.

Das Interesse der Industrie an solchen Simulationsmethoden ist entsprechend groß, weiß Constantin Zenz, weshalb er die Ergebnisse seiner Dissertation in Form eines Spin-offs weiternutzen möchte. „Mit inSilico Physics möchte ich die Technologie noch näher an die Industrie heranbringen und sie für diese nutzbar machen“, sagt Zenz. Das zugrunde liegende physikalische Modell soll dabei möglichst für unterschiedliche laserbasierte Fertigungsprozesse und Materialien einsetzbar sein, denn die physikalischen Gesetze gelten unabhängig vom speziellen Anwendungsfall.