Schnelles computerbasiertes Modell zur konsistenten, thermomechanischen Simulation von pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen auf Bauteilskala

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Meier
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572590752

Die additive Fertigung (AM) von Metallen mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (LPBF) bietet eine nahezu grenzenlose Designfreiheit sowie das Potential für eine lokale Beeinflussung von Materialeigenschaften. Damit stellt sie einen Paradigmenwechsel in der Produktionstechnik dar. Um das Potential von LPBF jedoch voll auszuschöpfen, ist ein größerer Schwerpunkt auf simulationsbasierten Arbeitsabläufen in der Prozess- und Geometrieauslegung essenziell. Hierzu bedarf es neuartiger Ansätze der computerbasierten Modellierung, um thermische Eigenspannungen auf Bauteilskala vorhersagen zu können. Trotz einer Vielzahl heuristischer Ansätze sind nur pfadauflösende Modelle, also thermomechanische Modelle, die den Laserpfad konsistent abbilden, in der Lage, die Korrelation zwischen Bauteilgeometrie, Scanstrategie, Temperaturverlauf und Eigenspannungen zu berücksichtigen. Aufgrund des Multiskalencharakters von LPBF führen pfadauflösende Modelle allerdings zu einem sehr hohen Rechenaufwand. Die effizientesten existierenden Modelle ermöglichen derzeit nur Simulationen auf der Millimeterskala, d.h., weit unterhalb praktisch relevanter Bauteilgrößen. In den Vorarbeiten des Antragstellers wurde ein Ansatz des High Performance Computing (HPC) zur thermischen Modellierung von LPBF entwickelt, welcher erstmals pfadaufgelöste Simulationen der gesamten AM-Bench-2022-Cantilever-Benchmark-Geometrie ermöglichte. Der Ansatz erlaubte damit einen im Vergleich zum Stand der Technik um mehr als eine Größenordnung gesteigerten Simulationsdurchsatz. Im Gegensatz zu diesem rein thermischen Modell ist der Rechenaufwand von thermomechanischen Modellen immer noch um Größenordnungen zu hoch. Dies kann auf den impliziten Charakter des mechanischen Teilproblems zurückgeführt werden, welcher die iterative Lösung einer sehr großen Anzahl von Zeitschritten erfordert. Das Hauptziel des Projektes FastSAM besteht in der Entwicklung eines pfadaufgelösten thermomechanischen Modells für LPBF, das genau genug für hochauflösende Vorhersagen der Eigenspannungen und gleichzeitig effizient genug für Simulationen realistischer Bauteilgrößen ist. Dabei zielt es auf neuartige numerische Diskretisierungs- und Lösungsverfahren ab, um die zwei Hauptdefizite existierender Modelle zu beheben: (i) die große Anzahl von Zeitschritten sowie (ii) die aus dem iterativen Lösungsprozedere resultierenden hohen Auswertekosten pro Zeitschritt. Diese adaptiven Verfahren kombinieren dabei die Vorteile pfadaufgelöster und heuristischer Modelle hinsichtlich Vorhersagegenauigkeit und Recheneffizienz. Somit leistet das Simulationswerkzeug FastSAM einen wesentlichen Beitrag, um ressourceneffiziente, simulationsbasierte Arbeitsabläufe in der AM-Industrie zu etablieren. In der AM-Forschung wird es physikalische Einblicke auf bisher unzugänglichen Zeit- und Längenskalen ermöglichen und somit Prozessverständnis sowie die simulationsbasierte Entwicklung neuer Prozessstrategien fördern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen