Characterization and quantification of mechanisms influencing the process reliability of Laser Beam Melting by experimental and numerical investigations
Fluid Mechanics
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde das Prozessverständnis beim Laserstrahlschmelzen um zwei wesentliche Bausteine erweitert. Zum einen wurde ein Simulationswerkzeug auf Basis der SPH-Methode zur Prädiktion des Schmelzbadverhaltens beim PBF-LB/M-Prozess unter Berücksichtigung physikalischer Wirkmechanismen geschaffen. Zum anderen wurde eine experimentelle Methodik entwickelt, welche detaillierte Untersuchungen der Prozesszone ermöglicht und eine hohe Adaptionsfähigkeit für die Analyse unterschiedlicher Zielgrößen aufweist. Die SPH-Methode hat sich als ein geeignetes Mittel erwiesen, die wesentlichen physikalischen Wirkmechanismen abzubilden. Mit Hilfe dieses Simulationswerkzeugs ist eine präzise Darstellung des Pulverbetts, der Laserstrahlung sowie der Thermo-Fluidmechanik des Schmelzbades möglich. Eine effiziente Berechnung der Algorithmen kann sowohl auf CPU- als auch GPU-Architekturen durchgeführt werden. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde das SPH-Simulationswerkzeug insbesondere im Hinblick auf Werkstoffmodifikationen und das In-situ-Legieren erweitert und in umfassenden Parameterstudien validiert. Durch einen Abgleich der Schmelzbaddimensionen aus Simulation und Experiment konnte das Simulationswerkzeug für unterschiedliche Werkstoffe validiert werden. Auch eine Übertragbarkeit auf verschiedene Anlagen konnte gezeigt werden. Innerhalb der experimentellen Methodik hat insbesondere der PBF-LB/M-Versuchsstand seinen Nutzen im Hinblick auf die Steigerung des Prozessverständnisses beim Laserstrahlschmelzen gegenüber konventionellen Anlagen bewiesen. Neben den Standard-Prozessparametern konnten auch unterschiedliche Pulverwerkstoffe zeit- und ressourceneffizient untersucht werden. Die Möglichkeit, Schmelzbäder von der Seite betrachten zu können, lieferte darüber hinaus einen besonderen Mehrwert bei der Validierung des Simulationswerkzeugs. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts zeigen, dass das Prozessverständnis für das Laserstrahlschmelzen signifikant gesteigert werden konnte. Mithilfe des Simulationswerkzeugs können zukünftig aufwendige experimentelle Studien reduziert sowie der Entwicklungsprozess für neue Werkstoffe beschleunigt werden.
Publications
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