Powder Bed Fusion - Laser Beam / Metals (PBF-LB/M)
Vorhersage von Verzug und Predeformation der Bauteile
Innovation am ISEMP - Inhärente Dehnungen in Additiver Fertigung
Das ISEMP hat als einer der ersten die Methode inhärenter Dehnungen aus dem Schweißprozess auf die additive Fertigung übertragen. Dr. Keller hat dabei für seine Dissertation umfangreiche simulative Untersuchungen durchgeführt, um eine inhärente Dehnungen aus klassischen thermomechanischen Simulation für belichtete Inseln im LPB-LB/M zu extrahieren. Die Simulation war in der Lage das komlexe Verzugsverhalten ganzer Bauteile wiederzugeben und ist heute weitverbreitet in vielen kommerziellen Softwares erhältlich. Die Simulationsmethode wird oft genutzt, um die schweißbedingten Verzüge durch eine Predeformation, eine invertierte Anwendung des Verzugsfeld auf das CAD, zu kompensieren.
Aufheizeffekte integriert in Inherent-Strain-Simulationen
Im PBF-LB/M sind Verzug und Überhitzung der Bauteile ständige Herausforderungen, die in der Prozessplanung bedacht werden müssen. Auf Bauteilebene können Verzüge mit der Inherent-Strain-Simulation berechnet werden. Jedoch werden hier überhitzte Bereiche vernachlässigt. Diese haben jedoch einen erheblichen Einfluss auf die prozessbedingten Eigenspannungen und damit auch den Bauteilverzug. Dafür wurde am ISEMP die Methode inhärenter Dehnungen weiter entwickelt, um den Einfluss von Bauteilüberhitzungen oder Bauplattenheizungen berücksichtigen zu können.
Deformation nach dem Prozess
Wärmebehandlung und Verzug
Während der Wärmebehandlung unterlaufen Bauteile verschiedene Heizzyklen und sind so über mehrere Stunden hohen Temperaturen ausgesetzt. Das Ziel, Reduktion der Eigenspannungen. Diese können sich jedoch auch in Verzügen relaxieren. Außerdem ist das Eigengewicht der Proben problematisch, wenn die Temperaturen sich dem Schmelzpunkt näheren. Das Material wird weich und kann sich über Kriechdehnungen verformen. Mit dem Ziel die gesamte Prozesskette digital abzubilden wurden am ISEMP Methoden zur Simulation des Verzugs in der Wärmebehandlung entwickelt.
Thermische Simulation und thermisches Management
Makroskopische Temperatursimulation
Das themische Makromodell nutzt einen schichtweise Energieeintrag und berechnet die Temepraturverteilung mit impliziten Zeitschritten. Dynamisch, adaptive Netzverfeinverung und -vergröberung ermöglichen es den Prozess mit Basisplatte und Pulver simulieren.
Schmelzbadsimulationen unter Berücksichtigung bauteilspezifischer lokalen Bedingungen
Multi-Skalen-Simulation
Die Simulation von Schmelzbädern kann genutzt werden, um mit anderen Simulationsmodellen gekoppelt zu werden oder Belichtungsstrategien und das Verhalten an Überhängen zu untersuchen. Die Kombination eines makroskopischen thermischen Modells mit schichtweisen Energieeintrag und der Schmelzbadsimulation mit Goldak-Wärmequelle, können beliebige lokale Featueres einer Geometrie unter Berücksichtigung der lokalen Aufheizung untersucht werden.
Abkühlraten simulieren und Hot-Spots vorhersagen
Mit dem makrokopischen Modellen ist es ebenfalls möglich die lokalen Abkühlraten zu bestimmen. Dadurch können ohne Expertenwissen im Designprozess eines Bauteils bereits potentielle Bereiche zu dedektieren, an denen der überhöhte Energieeintrag zu Keyhole-Porosität oder Ansinterungseffekten führt.
Aufheizungseffekte im Bauteil
Im pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) bildet die Basisplatte eine große thermische Masse, die viel Wärme vom Energieeintrag des Lasers aufnehmen kann, bevor diese weiter in die Maschine/ Umgebung abgeleitet werden kann. Entsrpechend können abhängig der Bauteilhöhe mit zunehmeder Distanz von der Basisplatte Aufheizeffekte entstehen. Makroskopische Simulationen des Energieeintrags auf Schichtebene ermöglichen diese Aufheizeffekte zu untersuchen.
Keine Bauteilaufheizung mit simulationsbasierten Wartezeiten
Aus den Maschinenbefehlen und wenigen Kalibrierungsgrößen kann für beliebige Geometrien die Aufheizung während des Aufbauprozesses im PBF-LB/M simuliert werden. Ein wichtiger Einfluss auf die Aufheizung ist die Abkühlzeit, die für einen optimal geführten Prozess nicht nur der thermischen Leitfähigkeit des Materials sondern auch der Geometrie angepasst werden muss. Vereinfachte thermische Prozesssimulationen werden daher genutzt, um eine geometrieabhängige Wartezeit nach jeder Schicht zu berechnen, sodass die Bauteile mit Beginn der nächsten Schicht eine gewünschte Zieltemperatur erreicht haben.
Hatchaktivierung zur Untersuchung von Scanstrategien
Um effizient verschiedene Belichtungsstrategien zu vergleichen, können die einzelnen Pfade des Lasers (Hatches) mit einem entsprechenden Energieeintrag aktiviert werden und das resuliterende Temperaturfeld berechnet werden.
Pulver als Isolator oder nicht?
Allgemein wird Pulver oft als Isolator bezeichnet, da die Luft zwischen den Pulverpartikeln die Wärme nur schlecht leitet und so durch die stark reduzierte Kontaktfläche der Pulverpartikel wenig Wärme vom Bauteil geleitet werden kann. Jedoch ist es kein Isolator und sollte nicht vernachlässigt werden. Adaptive Netzverfeinderung ermöglicht uns Pulver mit weniger Elementen simulativ darzustellen und es so ohne eine drastische Erhöhung der Rechenzeit zu berücksichtigen.
Mikrostruktur und Eigenschaften
Cellular-Automata-Simulation (CA) der Erstarrung während des additiven Fertigungspozesses
Das Simulationspaket für dreidimensionale CA berücksichtigt die Phänomene wie Nukleation, epitaxiales Wachstum und konkurrierendes Wachstum. Damit wird die mikrostrukturelle Ausprägung von Metallen während der additiven Fertigung simuliert. Dafür wird ein thermische Modell des Schmelzbads mit der CA gekoppelt. Die Art der Kopplung (voll, einseitig, hybrid) ermöglicht verschiedene Abwägungen zwischen Genauigkeit und Rechengeschweindigkeit in der Berechnung der Kornstruktur.
Kornstruktur-Simulation: Additive Fertigung von Aluminiumlegierungen
Die Verbindung von physikalisch basierter Partikelentwicklung und Nukleationsmodellen in Cellular-Automata-Simulationen bildet ein exzellentes Werkzeug für die Vorhersage der Kornstruktur in Aluminiumlegierungen.
Analyse rapider Erstarrung: Wachstumskinetik und Mikroseigerungsmodell
Features der schnellen Akühlung wie die Wachstumskinetik, Mikroseigerung, fest-flüssig-Übergänge, Anteile und Zusammensetzung der eutektischen Phase können als Funktion der Erstarrungsgeschwindigkeit, den thermischen Gradienten und der Legierungszusammensetzung dargestellt werden.
Thermo-metallurgische Analyse: Präzipitationmodell
Das themo-metallurgische Modell wurde entwickelt um die Entwicklung der der Präzipitation während der Heizzyklen und nachfolgender Wärmebehandlung vorherzusagen. Das Output des Modells wie Partikelanzahl und -dichte oder Volumenanteile werden als Input für die Berechnung des Präzipitationsverfestigung benötigt.
Defekte und Reparaturstrategien
KI-gestützte, thermische Prozessüberwachung
Thermografieaufnahmen des Pulverbetts während der laserbasierten additiven Fertigung nehmen zu. Prozessüberwachung, Qualitcontrol und Defektdedektierung sind wichtige Aufgaben und Herausforderungen in der additiven Fertigung. Eine übersichtliche Aufbereitung der Prozessdaten der Thermografiedaten können bei der Bewertung eines Baujobs hilfreich sein. Um jedoch nicht tausende Schichten durchzuschauen, wurde ein neuronales Netz trainiert Features zu detektieren, wie zum Beispiel einen überhöhten Wärmeeintrag. Die Features aus jeder Schicht werden dann in einem 3D-Modell zusammengefasst, um die Prozessinformationen in einem Bild einzufangen.
Supportstrukturen
Approximation von Pin-Supports als Vollmaterial mit effektiven Materialeigenschaften
Pin-Supports werden durch Vollmaterial genähert, was die Anzahl der Elemente in einer Inherent-Strain-Simulation verringert und damit die Rechenzeit stark verkürzt. Die effektiven Materialeigensachten der Näherung werden theoretisch berechnet und wurden abgeglichen mit einer freien Optimierung der Materialeigenschaften.