Simulationsgestützte Prozessanalyse des pulverbett-basierten additiven Fertigungsprozesses Selective Laser Melting (SLM)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Johannes Henrich Schleifenbaum, seit 12/2019; Professor Dr. Wolfgang Schulz
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418105836

Laserbasierte additive Fertigungstechnologien wie das pulverbettbasierte selektive Laserschmelzen ermöglichen eine nahezu unbegrenzte geometrische Gestaltungsfreiheit bei der Fertigung von metallischen Funktionsbauteilen. Aufgrund bestehender Prozessdefizite wie Eigenspannungen und Bauteilverzug kann dieses immense Potential zur Fertigung von Bauteilen hoher Komplexität nur eingeschränkt ausgenutzt werden. Dies liegt an dem zurzeit nur unzureichenden Prozessverständnis bzgl. der involvierten physikalischen Prozesse sowohl lokal in der Wechselwirkungszone oder Prozesszone (z.B. Strahlpropagation in der Pulverschicht, Verdampfung) als auch global im Gesamtbauteil (Thermomechanik). Weder bauteil- noch werkstoffspezifisch gibt es zurzeit für den Prozess konkrete Empfehlungen bzgl. einer spannungs- und verzugsminimierenden Prozessführung. Der wissenschaftliche Neuheitswert des Vorhabens ist, durch die Entwicklung einer Multiskalensimulation des SLM Prozesses und der Verwendung von numerischen, parallelisierten Algorithmen die Rechenzeiten für eine thermomechanische Simulation signifikant zu reduzieren. Durch die rechnerische Vorhersage von Verzug und Eigenspannungen soll ein vertieftes Prozessverständnis abgeleitet werden, mit dem eine verbesserte Prozessstrategie (Anpassung der Prozessparameter, Schweißreihenfolge, Bauteilausrichtung, Stützen, Vorwärmung und negative Vorverformung des Bauteils) bauteil- und materialspezifisch abgeleitet werden kann, die zu einem akzeptablen Verzug führt. Ziel dieses Projektes ist die, für eine Bauteilsimulation notwendige, Anzahl der Freiheitsgrade durch Multiskalenansätze drastisch (Faktor 1.000-10.000) zu reduzieren und so eine Makrosimulation des Prozesses zu realisieren, bei der auch die Schweißreihenfolge, die Stützstrukturen und die Wahl der Verfahrensparameter ihre Berücksichtigung finden. Zum Aufbau der Multiskalensimulation ist die Weiterentwicklung eines vorhandenen Modells für die Prozesszone (Mesoskala) notwendig, das eine ausreichend genaue Berechnung der Temperaturfelder in akzeptablen Rechenzeiten (< 1h) ermöglicht. Die Temperatur-Zeitzyklen werden über einen Transfer in eine Multiskalensimulation als Input für die thermomechanischen Prozesse auf der Bauteilebene zur Verfügung gestellt. Auf Grundlage des gewonnenen Prozessverständnisses sollen die relevanten Einflussgrößen identifiziert und darauf basierend experimentell Prozessstrategien zur spannungs- und verzugsminimierenden Fertigung erarbeitet sowie anhand praxisrelevanter Bauteile validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Reinhart Poprawe, bis 12/2019