ProSim – Erhöhung des Prozessverständnisses beim Laserstrahlschmelzen

Im Rahmen des gemeinsamen Forschungsprojektes mit dem Lehrstuhl für Aerodynamik (TUM) werden die Wirkmechanismen beim Laserstrahlschmelzen untersucht. Das Laserstrahlschmelzen ist ein additiver Herstellungsprozess, bei dem gleichzeitig mehrere physikalische Prozesse wie beispielsweise Thermofluiddynamik, Licht-Materie Wechselwirkung sowie Phasenübergänge auftreten. In diesem Forschungsprojekt soll das komplexe Zusammenspiel der physikalischen Mechanismen experimentell und mit Hilfe eines numerischen Modellierungsansatzes untersucht werden.

Motivation

Laserstrahlschmelzen ist ein generatives Fertigungsverfahren, welches zur werkzeuglosen Herstellung metallischer Komponenten mit geometrischen Besonderheiten dient. Mit Hilfe lokaler Schmelzung des Metallpulvers durch einen Laserstrahl und das anschließende Erstarren des Werkstoffs kann das Bauteil schichtweise aufgebaut werden. Werkzeuge und Formen aus Metall mit integrierten Kühl- und Temperierkanälen sind mit klassischen Fertigungstechnologien so nicht herzustellen. Neben der Anwendung im Prototypenbau wird das Laserstrahlschmelzen heute auch vermehrt in der Serienproduktion eingesetzt. Die grundlegenden Prozessmechanismen dieses Fertigungsverfahren zu identifizieren und zu quantifizieren ist für zukünftige Anwendungen von höchster Priorität.

Zielsetzung

Mit experimentellen Techniken wie Hochgeschwindigkeitsaufnahmen oder Thermographieaufnahmen des Schmelzbades sollen die thermischen, mechanischen und fluiddynamischen Vorgänge analysiert werden und zu einer Erhöhung des Prozessverständnisses beitragen. Gleichzeitig wird vom Lehrstuhl für Aerodynamik ein numerisches Simulationsmodell zur Prozesssimulation entwickelt, welches das Temperaturfeld im Bauteil und die von der Wärmequelle thermisch induzierten Eigenspannungen und Verformungen in den Bauteilen vorhersagt. Experimentelle Erkenntnisse sollen sowohl in das Simulationsmodell miteinfließen, als auch zur Validierung der Simulationsergebnisse dienen.

Vorgehen

Zunächst werden die für das Laserstrahlschmelzen relevanten Wirkmechanismen und Einflussgrößen erfasst. Darauf folgend findet eine Auswahl geeigneter experimenteller Verfahren statt. Da metallographische Untersuchungen, Schliffbilder oder CT-Aufnahmen der Probekörper nur einen groben Einblick in die Vorgänge während des Strahlschmelzprozesses liefern, sind geeignete experimentelle Methoden zur Auflösung der transienten Vorgänge zu identifizieren. So können Defekte nicht nur erkannt, sondern es kann ein Verständnis über deren Entstehung geschaffen werden. Geeignete Belichtungslaser, welche sowohl koaxial als auch off-axis zum Laserstrahl ausgerichtet sind, schaffen einen Einblick in Prozessparameter wie beispielsweise die Schmelzbadlänge und -breite, Geschwindigkeitsverteilung der Pulverpartikel und die Entstehung von Spritzern und Auswürfen aus dem Schmelzbad. Im Rahmen der numerischen Modellbildung und –entwicklung kommen netzfreie Methoden (auch „Smoothed Particle Hydrodynamics“ SPH genannt) zum Einsatz. Unter anderem sollen das Pulverbett sowie die fluiddynamischen und thermodynamischen Vorgänge modelliert werden. Ein Vergleich des SPH-Verfahrens mit einem typischen Eulerschen (gitterbasierten) Verfahren liefert hierbei einen interessanten Einblick und dient außerdem zur Validierung der Simulationsergebnisse. Abschließend erfolgt eine experimentelle Validierung der Simulationsmodelle, wobei die Untersuchungen der Laserstrahlschmelzvorgänge mit jeweils gleichen Prozessparametern durchgeführt werden soll.