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Ende des SEPP-Projekts: Verbesserte Simulationen für den 3D-Druck

Laserbasierte additive Fertigungstechnologien wie das PBF-LB/M Verfahren, bei dem pulverbasierte Werkstoffe mittels Laser verarbeitet werden, bieten eine nahezu unbegrenzte geometrische Gestaltungsfreiheit bei der Herstellung metallischer Funktionsbauteile.

Trotz dieses Potenzials wird es aufgrund verfahrenstechnischer Defizite nur eingeschränkt genutzt. Diese Einschränkungen betreffen physikalische Prozesse sowohl lokal in der Prozesszone als auch global im gesamten Bauteil und führen zu Problemen wie Eigenspannungen und Bauteilverzug.

Um diesen Defiziten zu begegnen, wurde in den letzten Jahren im Projekt SEPP (Simulationsgestützte Prozessanalyse des pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahrens PBF-LB/M) an der Optimierung der Simulation des PBF-LB/M-Prozesses gearbeitet.

Ziel des SEPP-Projekts war es, den 3D-Druck von Metallteilen durch intelligente Simulationstechniken effizienter und genauer zu gestalten. Statt komplizierter und rechenintensiver Modelle, die für große Bauteile nur schwer anwendbar sind, sollten vereinfachte Simulationen entwickelt werden, die dennoch genau genug sind, um Fehler wie Verformungen vorherzusagen.

Im Projekt wurde das Prozessmodell des PBF-LB/M weiterentwickelt und durch experimentelle Messungen validiert. Die Genauigkeit bei der Berechnung der Schmelzbadabmessungen wurde erheblich verbessert. Mit einer neuen Methode können nun Temperaturfeldberechnungen in weniger als einer Stunde durchgeführt werden. Besonders erfolgreich waren Simulationen mit dem Nickelbasiswerkstoff Inconel 718, die präzise Vorhersagen der Schmelzbadgeometrie und Temperaturverteilung ermöglichen.

Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung von Strategien zur Minimierung von Eigenspannungen und Verzug. Darüber hinaus wurden Techniken zur numerischen Modellreduktion erfolgreich implementiert. Diese ermöglichen eine schnelle Berechnung von Temperatur- und Dehnungsverteilungen auf Makroebene, was die Effizienz der Simulationsprozesse weiter steigert. Ergänzend dazu wurden experimentelle Verzugsmessungen durchgeführt, die die Simulationsergebnisse bestätigten und wertvolle Daten für die weitere Modelloptimierung lieferten.

Die Projektergebnisse tragen nicht nur zur Verbesserung der Fertigungsqualität bei, sondern eröffnen auch neue Möglichkeiten für die industrielle Anwendung dieser Technologien. Damit legen sie einen Grundstein dafür, das Potenzial des PBF-LB/M besser auszuschöpfen.

Dieses Projekt wurde gefördert von der DFG – Deutsche Forschungsgemeinschaft

Konsortium:
Lehrstuhl Digital Additive Production
NLD – Lehr- und Forschungsgebiet für Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren