TU Wien zeichnet Simulation für 3D-Metalldruck aus

Fehler beim 3D-Druck von Metall lassen sich künftig vermeiden, noch bevor sie entstehen. Constantin Zenz hat in seiner Dissertation ein Simulationsmodell entwickelt, das die physikalischen Vorgänge beim lasergestützten Druckverfahren abbildet. Das Rektorat der TU Wien würdigte die Arbeit mit dem Resselpreis.

Realitätsnahe Vorhersage statt nachträglicher Anpassung

Beim metallischen 3D-Druck wird Metallpulver schichtweise aufgetragen, ein Laser schmilzt gezielt die Bereiche auf, aus denen das Bauteil entsteht. Zahlreiche Parameter wie Laserleistung, Geschwindigkeit und Material beeinflussen das Resultat. Gleichzeitig laufen beim Schmelzen und Erstarren viele physikalische Prozesse ab, die miteinander verknüpft sind.

Zenz setzte auf einen Ansatz mit mehr Physik und weniger vereinfachenden Annahmen. Bisherige Modelle mussten oft nach Experimenten kalibriert werden. Die neue Simulation soll hingegen präzise vorhersagen, was unter bestimmten Bedingungen passiert – ohne dass Versuche zum Abgleich nötig sind.

Fertigungsprozesse lassen sich so digital abbilden, bevor zeit- und materialaufwendige Versuche an der Maschine beginnen. Das Ziel: „First time right“-Produktion – das Bauteil soll gleich beim ersten Versuch gelingen. Das spart Zeit, Energie und Ressourcen, was angesichts der energieintensiven Herstellung von Metallpulver und des Druckprozesses relevant ist. Zudem ermöglicht die Simulation neue Bauteilgeometrien, etwa besonders dünne Wände.

Rechenzeit als Hürde für die Industrie

Die hohe Genauigkeit hat einen Nachteil: Die Berechnungen sind rechenintensiv und benötigen viel Zeit. „Während die Rechenzeit in der Forschung eine untergeordnete Rolle spielte, ist sie für den Einsatz in der Industrie entscheidend“, erklärt Zenz. Ein nächster Schritt sei daher, die Berechnungen deutlich zu beschleunigen.

Die Dissertation entstand in enger Kooperation mit Industriepartnern, die die Modelle einsetzten, um Produktionsprozesse zu verbessern und Fehlerursachen zu identifizieren. Konkret lässt sich etwa herausfinden, warum bei bestimmten Einstellungen Risse im Material auftreten.

Spin-off soll Technologie in die Praxis bringen

Das Interesse der Industrie an solchen Simulationsmethoden ist groß. Zenz will die Ergebnisse seiner Dissertation in Form eines Spin-offs namens „inSilico Physics“ weiternutzen. „Ich möchte die Technologie noch näher an die Industrie heranbringen und sie für diese nutzbar machen“, sagt er. Das physikalische Modell soll für unterschiedliche laserbasierte Fertigungsprozesse und Materialien einsetzbar sein, da die physikalischen Gesetze unabhängig vom speziellen Anwendungsfall gelten.

Zenz studierte an der TU Wien Wirtschaftsingenieurwesen-Maschinenbau und schloss seinen Master 2020 ab. Bereits während des Studiums beschäftigte er sich mit Strömungsmechanik und additiver Fertigung. Seine Dissertation trägt den Titel „Process simulation for laser-assisted additive manufacturing“.

Der Resselpreis wird jährlich vom Rektorat der TU Wien vergeben und ist mit 13.000 Euro dotiert. Ausgezeichnet werden Dissertationen, die im Rahmen interdisziplinärer Drittmittelforschung gemeinsam mit industriellen Forschungspartnern durchgeführt wurden.

Quelle: https://www.tuwien.at/tu-wien/aktuelles/news/news/erst-simulieren-dann-produzieren