Fundamental mechanisms and modeling of microstructure evolution during beam and powder bed-based additive manufacturing

• Applicant: Dr.-Ing. Matthias Markl
• Subject Area: Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials ; Thermodynamics and Kinetics as well as Properties of Phases and Microstructure of Materials
• Term: from 2017 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 327889862

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

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.

Publications

• 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.
  (See online at https://doi.org/10.1002/adem.201901270)
• 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.
  (See online at https://doi.org/10.1007/s11661-020-05946-3)
• 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.
  (See online at https://doi.org/10.3390/ma13235517)
• New Grain Formation Mechanisms during Powder Bed Fusion. Materials 2021, 14, 3324
  Rausch, A.M.; Pistor, J.; Breuning, C.; Markl, M.; Körner, C.
  (See online at https://doi.org/10.3390/ma14123324)