Metall-3D-Druck Laserstrahlschmelzen erstmals auf der Mikrostrukturskala simuliert

Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft

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Beim Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ist es mitunter schwierig, die optimalen Prozessparameter – wie die Geschwindigkeit oder die Leistung des Lasers – zu bestimmen. Fraunhofer-Forschende simulieren nun erstmalig mit kombinierten Methoden den Prozess auf der Mikrostrukturskala um direkte Zusammenhänge zwischen Werkstückeigenschaften und gewählten Prozessparametern erkennen.

In der Simulation live zuschauen, was passiert. Hier die Raytracing-Simulation des LPBF-Prozesses.
In der Simulation live zuschauen, was passiert. Hier die Raytracing-Simulation des LPBF-Prozesses.
(Bild: Fraunhofer Gesellschaft)

Beim Laserstrahlschmelzen soll die jeweils neu aufgebrachte Schicht fest auf der unteren haften und das fertige Bauteil eine Dichte von 100 Prozent haben sowie keine Poren aufweisen. Dies gelingt über die Einstellung der Prozessparameter, wie die Geschwindigkeit und die Leistung des Lasers. Besonders wichtig für die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks ist die Mikrostruktur aus metallischen Körnern. Diese weisen bestimmte Orientierungen, Größen und Formen auf und haben großen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, etwa das Elastizitätsmodul des Werkstoffs oder die Fließspannung. Doch wie steuert man den Prozess so, dass die entstehende Mikrostruktur den späteren Einsatzbedingungen des Bauteils genügt? Und das bei verschiedenen Legierungswerkstoffen aus Stahl, Aluminium und Titan, die alle unterschiedliche Eigenschaften besitzen und andere Mikrostrukturen ausbilden.

Simaulation der gesamten Prozesskette

Die optimalen Prozessparameter und Materialien zu finden und aufeinander abzustimmen, war bisher ein experimentelles und damit aufwändiges Unterfangen. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM beschreiten nun einen anderen Weg. Nach eigenen Angaben simulieren sie die gesamte Prozesskette. Auf diese Weise reduzieren sie nicht nur die Versuch-Irrtum-Schleifen, sondern können Variationen im Gesamtprozess schnell und effektiv bewerten und unerwünschte Effekte bei der Herstellung beseitigen.

Zusammenhänge zwischen Prozess, Struktur und Eigenschaften erkennen

Wie das Fraunhofer IWM mitteilt, wurden dazu verschiedene Simulationsmethoden aneinandergehängt: Mit der Diskrete-Elemente-Methode wird zunächst simuliert, wie die einzelnen Pulverpartikel mithilfe eines speziellen Werkzeugs, der Rakel, in den Bauraum eingebracht werden. Die darauffolgende „Smoothed Particle Hydrodynamics“ simuliert das Aufschmelzen der Pulverpartikel. Hier werden sowohl Laserinteraktion und Wärmetransport als auch die Oberflächenspannungen berechnet, die zum Fließen der Schmelze führen. Auch die Schwerkraft und der Rückstoßdruck, der entsteht, wenn das Material verdampft, gehen in die Berechnung mit ein, heißt es. Um die Mikrostruktur zu analysieren, wurde laut Fraunhofer IWM mit einem sogenannten zellulären Automaten eine weitere Simulationsmethode angekoppelt. Dieser beschreibt, wie die metallischen Körner als Funktion vom Temperaturgradienten wachsen. Am Ende steht die Finite-Elemente-Simulation. Mit ihr berechnet das Forscherteam Zugversuche in unterschiedliche Richtungen an einem repräsentativen Ausschnitt des Materials, um zu erfahren, wie der Werkstoff auf diese Belastungen reagiert.

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