Entwicklung eines Simulationsmodells zur Strangablage in der Materialextrusion mit der Smoothed Particle Hydrodynamics Methode

Additive Fertigungsverfahren etablieren sich zusehends in vielfältigen Anwendungsfeldern. Eine weit verbreitete Gruppe ist die Materialextrusion (MEX). Die Eigenschaften durch MEX gefertigte Bauteile sind in hohem Maße von der während des Prozesses ausgebildeten Mesostruktur, also der Anordnung und Gestalt der einzelnen Polymerstränge, abhängig. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den Prozess auf mehreren Größenskalen numerisch abzubilden. Es liegen bereits verschiedene Modellierungsansätze vor, mit denen die Entstehung der Mesostruktur abgebildet wird. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung der Smoothed Particle Hydrodynamics Methode (SPH). ... mehrBisher liegt kein SPH-Modell vor, das die Extrusion repräsentativer Volumenelemente der Mesostruktur unter Berücksichtigung thermomechanischer Effekte ermöglicht. In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen des MEX-Verfahrens sowie der SPH-Methode erläutert sowie ein Überblick über den Stand der Modellierung des Verfahrens präsentiert. Darauf aufbauend wird mithilfe der Simulationswerkzeuge ABAQUS und PySPH jeweils ein Modell des MEX-Prozesses erstellt. PySPH wird zu diesem Zweck um ein thermisches Modell, das die Berücksichtigung von Konduktion, Konvektion und Wärmestrahlung ermöglicht, erweitert. Beide Modelle werden verwendet, um einzelne Stränge sowie einfache Mesostrukturen zu extrudieren, und die Ergebnisse diskutiert. Mit beiden Werkzeugen kann der MEX-Prozess nur eingeschränkt abgebildet werden. Das Fluid kann bei vertretbarem Rechenaufwand nicht als inkompressibel und hochviskos modelliert werden. Aufgrund seiner Erweiterbarkeit ist jedoch gut geeignet, um das Modell weiter auszubauen.

Additive manufacturing (AM) currently experiences rapid growth or adoption across many industries. One popular group of AM-processes is material extrusion (MEX). The properties of any part created using MEX are highly dependent on the mesostructure which is the specific arrangement and form of the layers and polymer strands that make up the part. It is therefore necessary to model the manufacturing process across multiple scales. There are various attempts to model the forming of the mesostructure. One promising approach is to use the smoothed particle hydrodynamics method (SPH). ... mehrSo far, there is no SPH-model that allows to extrude a representative elementary volume of a mesostructure while considering thermomechanical effects. This study introduces the fundamentals of the MEX-process and the SPH-Method. Furthermore, recent efforts modelling the process are summarized. Finally, a model of the MEX-process is implemented in the simulation tools ABAQUS and PySPH. To examine the temperature distribution, the PySPH -package is expanded to make heat conduction, convection, and radiation available. The models are used to extrude single melt strands as well as a simple mesostructure. Both tools are found to not be fully capable of modelling the process. The fluid can not be modelled as incompressible and highly viscous while also maintaining reasonable computational cost. However, PySPH is found to be more suitable due to its ability to be extended and adapted.