Characterization and quantification of mechanisms influencing the process reliability of Laser Beam Melting by experimental and numerical investigations

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Nikolaus Andreas Adams; Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh
• Subject Area: Primary Shaping and Reshaping Technology, Additive Manufacturing ; Fluid Mechanics
• Term: from 2017 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 387081806

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde das Prozessverständnis beim Laserstrahlschmelzen um zwei wesentliche Bausteine erweitert. Zum einen wurde ein Simulationswerkzeug auf Basis der SPH-Methode zur Prädiktion des Schmelzbadverhaltens beim PBF-LB/M-Prozess unter Berücksichtigung physikalischer Wirkmechanismen geschaffen. Zum anderen wurde eine experimentelle Methodik entwickelt, welche detaillierte Untersuchungen der Prozesszone ermöglicht und eine hohe Adaptionsfähigkeit für die Analyse unterschiedlicher Zielgrößen aufweist. Die SPH-Methode hat sich als ein geeignetes Mittel erwiesen, die wesentlichen physikalischen Wirkmechanismen abzubilden. Mit Hilfe dieses Simulationswerkzeugs ist eine präzise Darstellung des Pulverbetts, der Laserstrahlung sowie der Thermo-Fluidmechanik des Schmelzbades möglich. Eine effiziente Berechnung der Algorithmen kann sowohl auf CPU- als auch GPU-Architekturen durchgeführt werden. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurde das SPH-Simulationswerkzeug insbesondere im Hinblick auf Werkstoffmodifikationen und das In-situ-Legieren erweitert und in umfassenden Parameterstudien validiert. Durch einen Abgleich der Schmelzbaddimensionen aus Simulation und Experiment konnte das Simulationswerkzeug für unterschiedliche Werkstoffe validiert werden. Auch eine Übertragbarkeit auf verschiedene Anlagen konnte gezeigt werden. Innerhalb der experimentellen Methodik hat insbesondere der PBF-LB/M-Versuchsstand seinen Nutzen im Hinblick auf die Steigerung des Prozessverständnisses beim Laserstrahlschmelzen gegenüber konventionellen Anlagen bewiesen. Neben den Standard-Prozessparametern konnten auch unterschiedliche Pulverwerkstoffe zeit- und ressourceneffizient untersucht werden. Die Möglichkeit, Schmelzbäder von der Seite betrachten zu können, lieferte darüber hinaus einen besonderen Mehrwert bei der Validierung des Simulationswerkzeugs. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts zeigen, dass das Prozessverständnis für das Laserstrahlschmelzen signifikant gesteigert werden konnte. Mithilfe des Simulationswerkzeugs können zukünftig aufwendige experimentelle Studien reduziert sowie der Entwicklungsprozess für neue Werkstoffe beschleunigt werden.

Publications

• A smoothed particle hydrodynamics model for laser beam melting of Ni-based alloy 718. Computers & Mathematics with Applications 78.7 (2019), S. 2377 – 2394
  Weirather, J.; Rozov, V.; Wille, M.; Schuler, P.; Seidel, C.; Adams, N. A.; Zaeh, M. F.
  
• Analysis of the phase transformation of Al-Si10Mg during Laser Powder Bed Fusion. Procedia CIRP 94 (2020), S. 177 – 181
  Wimmer, A.; Lehmann, M.; Schuler, A.; Zaeh, M. F.
  
• Transient investigations of spatter behavior during laser beam melting. Mittweidaer Lasertagung (2020), S. 101 – 104
  Wimmer, A.; Schuler, A.; Zaeh, M. F.
  
• Experimental and Numerical Investigations of In Situ Alloying during Powder Bed Fusion of Metals Using a Laser Beam. Metals (2021), S. 1842
  Wimmer, A.; Yalvac, B.; Zoeller, C.; Hofstaetter, F.; Adami, S.; Adams, N. A.; Zaeh, M. F.
  
• In-situ alloying: Investigation of the melt pool stability during powder bed fusion of metals using a laser beam in a novel experimental setup. Progress in Additive Manufacturing (2021), S. 1 – 9
  Wimmer, A.; Hofstaetter, F.; Jugert, C.; Wudy, K.; Zaeh, M. F.