GasAlloy-Y

Multi-scale modeling of PBF-LB/M using particle methods

Hintergrund

Das Pulverbettschmelzen von Metallen mit einem Laserstrahl (PBF-LB/M) wird zunehmend für die Herstellung komplexer Teile in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt. Die Ermöglichung eines robusten und reproduzierbaren Herstellungsprozesses ist eines der Hauptziele im Hinblick auf den zukünftigen Erfolg von PBF-LB/M. Um das Verständnis für das komplexe Zusammenspiel der relevanten physikalischen Phänomene zu verbessern, können sowohl Experimente als auch Simulationen wertvolle Einblicke in den Prozess liefern. Einerseits können experimentelle Untersuchungen als "ground-truth" angesehen werden, da sie am ehesten mit dem tatsächlichen industriellen Prozess übereinstimmen. Andererseits ist die Datenassimilation (d. h. Messungen) von hoher Qualität sehr begrenzt, da es unmöglich ist, z. B. instationäre Temperaturprofile oder geometrische Informationen des hochdynamischen Schmelzbads während des Experiments zu messen. Im Gegensatz dazu ermöglichen numerische Simulationen die nicht-invasive Überwachung aller interessierenden Größen mit "beliebiger" zeitlicher und räumlicher Auflösung (innerhalb der Grenzen der numerischen Einstellungen). Die Herausforderung bei so genannten virtuellen Zwillingen besteht jedoch darin, die Gleichwertigkeit der physikalischen Effekte mit dem realen Problem zu gewährleisten.

Wir haben einen SPH-basierten Simulationsrahmen entwickelt, um die Dynamik des Schmelzbads beim Pulverbettschmelzen mit einem Laserstrahl für Metalle zu simulieren (siehe Abbildung 1). Die derzeitige Modellierung konzentriert sich auf Strömungsmechanik und Thermodynamik, da die komplexen physikalischen Phänomene im heißen Schmelzbad den Prozess und die daraus resultierenden Bauteileigenschaften stark beeinflussen.

Ziel des Projekts

Unser Ziel ist es, einen multiskaligen Ansatz zu entwickeln, um die Dynamik des Schmelzepools mit dem Erstarrungsprozess zu koppeln und das resultierende Material zu charakterisieren. Während der Erstarrung beeinflussen die lokalen Spezieskonzentrationen und zeitlichen Temperaturprofile die strukturellen Bedingungen und müssen berücksichtigt werden. Die Form, Verteilung und Zusammensetzung der Körner bestimmen die Materialeigenschaften wie Festigkeit, Duktilität und Rissanfälligkeit. Die Herausforderung bei der Kopplung der beiden Mechanismen liegt in ihrer räumlichen und zeitlichen Trennung. Die typische Mikroskala für die Erstarrung ist O(µm,ns), während die Mesoskala des Schmelzbades O(mm,ms) ist.

Zeitreihen einer Schmelzepool-Dynamiksimulation mit Schraffur auf einer Substratplatte

Zeitreihe einer Multilaser-Schmelzspursimulation mit Visualisierung des erstarrten Teils

Leitung des Forschungsprojekts

Stefan Adami
Mikkel Pedersen

Forschende

Fabian Fritz
Christopher Zöller
Graham Metheson
Alper Evirgen