Grundlegende Mechanismen und Modellierung der Mikrostrukturausbildung bei der strahlbasierten additiven Fertigung im Pulverbett

• Antragsteller: Dr.-Ing. Matthias Markl
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327889862

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Entstehung neuer Keime am Schmelzbadboden während der strahlbasierten additiven Fertigung im Pulverbett konnte in diesem Projekt erfolgreich modelliert werden. Als Hauptgrund wurde eine erhöhte Unterkühlung zu Beginn der Erstarrung beim schichtweisen Aufbau des Prozesses identifiziert. Diese beruht auf einer Diskrepanz des Abstandes zwischen angeschmolzenen, schon zuvor erstarrten Dendriten und dem Abstand der Dendriten in der wiedererstarrenden Mikrostruktur. Das Modell umfasst ebenfalls die Winkelabhängigkeit zwischen Kornorientierung und lokalen Temperaturgradienten. Diese führt dazu, dass bei einer Abweichung beider Richtungen während der Erstarrung eine erhöhte Nukleationswahrscheinlichkeit aufgrund erhöhter Unterkühlung zu beobachten ist. Das entwickelte Nukleationsmodell wurde erfolgreich in die bestehende Prozesssimulationssoftware S𝔸𝕄PLE 2D implementiert. Zusätzlich wurde ein Algorithmus für den verwendeten zellularen Automaten zur Beschreibung des Aufschmelzens während der additiven Fertigung entwickelt und implementiert. Ein Vergleich von Simulationen mit experimentellen Kornstrukturen zeigte abschließend eine gute Übereinstimmung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• SAMPLE: A Software Suite to Predict Consolidation and Microstructure for Powder Bed Fusion Additive Manufacturing. Adv. Eng. Mater. 2019, 1901270
  Markl, M.; Rausch, A.M.; Küng, V.E., Körner, C.
  
• Modeling and Simulation of Microstructure Evolution for Additive Manufacturing of Metals: A Critical Review. Metall. Mater. Trans. A 2020, 51A, 4970
  Körner, C.; Markl, M.; Köpf, J.A.
  
• New Grain Formation by Constitutional Undercooling Due to Remelting of Segregated Microstructures during Powder Bed Fusion. Materials 2020, 13, 5517
  Rausch, A.M.; Gotterbarm, M.R.; Pistor, J.; Markl, M.; Körner, C.
  
• New Grain Formation Mechanisms during Powder Bed Fusion. Materials 2021, 14, 3324
  Rausch, A.M.; Pistor, J.; Breuning, C.; Markl, M.; Körner, C.