Keywords: Simulation, Schmelzbad, Abkühlrate, Temperaturprofil, Mechanische EIgenschaften, Sturkturelle Analyse

Einblicke in die Schmelzbadgeometrie und zeitabhängige Temperaturverteilung

Von Prozessparametern, über Temperaturprofile, zur Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften: Mit der Etablierung des Additive Manufacturing (AM) müssen viele konventionell verwendete und gut erforschte Werkstoffe erneut hinsichtlich der mechanischen Kennwerte untersucht und gewisse Aspekte neu verstanden werden. In etablierten Prozessen, wie etwa dem Gießen, sind die Abkühlraten typischerweise niedrig (10²K/s) und das resultierende Gefüge und die damit einhergehenden mechanischen Eigenschaften wohlbekannt. Für das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) Verfahren sind die Abkühlraten jedoch hoch (bis zu 10⁷ K/s) und die mechanischen Eigenschaften, bedingt durch das energetisch günstige Kornwachstum in Aufbaurichtung, anisotrop. Da die Abkühlrate an der Phasenfront (flüssig zu fest) nicht direkt gemessen werden kann, ist es entscheidend, den Erstarrungsprozess unter Berücksichtigung der relevanten physikalischen Phänomene zu modellieren. Der RWTH Aachen Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP entwickelt daher ein Modell zur Berechnung der Schmelzbadgeometrie und der zeitabhängigen Temperaturverteilung für den LPBF-Prozess in Abhängigkeit materialspezifischer Prozessparameter.

Vergleiche von Simulationsergebnissen mit experimentell ermittelten Schmelzbadgeometrien zeigen für Inconel 718 lediglich eine Abweichung von kleiner 10% unter Variation der Laserleistung und Scangeschwindigkeit. Die daraus errechnete Abkühlrate dient als Eingangsgröße für die Phasenfeldsimulation mittels MICRESS des ACCESS e.V., mit der das Kornwachstum in 3D für einen kleinen Bereich simuliert werden kann. Mit der Simulation kann die experimentell bestimmte Korngröße reproduziert und das Konkurrieren benachbarter Körner um die Wachstumsrichtung abgebildet werden. Die verbleibende Herausforderung ist die Bestimmung der zu erwartenden mechanischen Eigenschaften aus der entstandenen/ berechneten Mikrostruktur. Hintergründiges Ziel ist es, die Korngröße und die getrennten Phasen während des Erstarrungsprozesses durch gezielte Wahl der Prozessparameter und des Materials zu steuern, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften für das Bauteil zu erzielen. Dem hierbei erworbenen Prozessverständnis wird bei der Entwicklung neuer LPBF- spezifischer Legierungen hohe Bedeutung beigemessen.