Modeling and simulation of multi-material manufacturing of metals in powder bed fusion additive manufacturing
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Projekts war es, ein Multi-Material-Modell zu entwickeln, um die Verarbeitung von Pulvermischungen aus unterschiedlichen Metallen oder Legierungen mittels PBF-EB zu analysieren und ein Verständnis für die dabei auftretenden, charakteristischen Effekte zu generieren. Im zweiten Schritt sollte die Software verwendet werden, um verschiedene Prozessstrategien zu untersuchen, die eine Herstellung von dichten und homogenen Bauteilen ermöglicht. Im Kern des entwickelten Modells steht die CALPHAD-basierte Materialmodellierung. Sie ermöglicht die unmittelbare Berücksichtigung von thermodynamischen Effekten wie der Mischungsenthalpie oder der Schmelzwärme, ohne dass diese extra modelliert werden müssen. Zudem werden keine Vereinfachungen für wichtige thermophysikalische Größen wie die spezifische Wärmekapazität oder die Solidus- bzw. Liquidustemperaturen getroffen. Um das zu erreichen, wird die spezifische Enthalpie und der Flüssigphasenanteil in Abhängigkeit der Konzentration und Temperatur mit Hilfe der CALPHAD-Methode berechnet und in die Simulationssoftware eingelesen. Der zweite entscheidende Modellierungsteil waren die bei der Multi-Material-Verarbeitung zusätzlich auftretenden Transportphänomene. Diese können in mikroskopische Prozesse wie Diffusion und Enthalpiediffusion sowie in makroskopische Strömungen wie die konzentrationsabhängige Marangoni-Konvektion untergliedert werden. Für die Implementierung der Marangoni-Konvektion wurde ein neuartiges numerisches Modell entwickelt, das basierend auf der Volume of Fluid-Methode die an der Oberfläche entstehenden Marangoni-Scherspannungen effizient berechnet und einkoppelt. Die Simulationssoftware wurde anhand von experimentellen Versuchen mit Cu-Cr-Pulvermischungen validiert, wobei stets eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment festgestellt wurde. Im Rahmen der PBF-EB-Versuche wurde zudem bestätigt, dass mittels Multi-Material-Verarbeitung dichte und homogene Bauteile hergestellt werden können. Um die Homogenität bei Bedarf weiter zu erhöhen, empfiehlt sich z.B. eine Prozessstrategie, bei der jede Pulverschicht mindestens ein zweites Mal aufgeschmolzen wird. Durch dieses Projekt werden die bei der additiven Fertigung von Pulvermischungen aus verschiedenen Metallen auftretenden Effekte wesentlich besser verstanden. Es konnten Herausforderungen wie ungescholzene Partikel und charakteristische Randeffekte identifiziert und Strategien zur Optimierung der Homogenität entwickelt werden.
Publications
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Multi-material model for the simulation of powder bed fusion additive manufacturing. Computational Materials Science, 194, 110415.
Küng, Vera E.; Scherr, Robert; Markl, Matthias & Körner, Carolin
