Simulation des LPBF-Prozesses

Key Words: LPBF, Simulation, Cooling Rates, Temperature Profile, Mechanical Properties, Structural Analysis

Einblicke in 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.

Jonas Zielinski, M. Sc.

RWTH Aachen Lehrstuhl für
Digital Additive Production DAP
Campus-Boulevard 73
52074 Aachen

→ jonas.zielinski@dap.rwth-aachen.de