Simulation des LPBF-Prozess mit dem Fokus auf der lokalen Abbildung der Temperaturhistorie im Bauteil

Das Potential von additiven Fertigungsprozessen für die Fertigung von komplexen Bauteilen, die über herkömmliche Prozessrouten nur äußert kostenineffizient oder nicht möglich ist, ist nach heutigem Stand bekannt und begründet das hohe Forschungsinteresse an diesen Prozessen. Vor allem der Laser Powder Bed Fusion Prozess gehört zu einem der am weitest verbreiteten additiven Fertigungsprozesse und hat den Transfer in die industrielle Nutzung erfolgreich bewältigt.
Als nächster Schritt in der Weiterentwicklung des LPBF steht die konsequente Weiterentwicklung und Optimierung bestehender Verfahrensabläufe. Vor allem im Hinblick auf das Verständnis der im Prozess ablaufenden physikalischen und werkstoffwissenschaftlichen Vorgänge fehlen Erkenntnisse und Werkzeuge, die eine effiziente Neuentwicklung von Bauteilen, Verwendung neuer Werkstoffe oder die Weiterentwicklung bestehender Materialkombinationen und Bauteile in größerem Maßstab sowie einen leichteren Zugang zu diesem Wissen ermöglichen.
Ein mögliches Werkzeug das zum Verständnis des LPBF beitragen kann, sind Simulationen in denen neue Parameterkombinationen, Werkstoffe oder Bauteilgeometrien ohne kostenintensive Maschinenzeit oder Materialverbrauch untersucht werden können. In den letzten Jahren gab es ein stetiges Bestreben von Forschung und Softwareentwicklern, vor allem im Bereich der Finite Elemente Simulation (FEM), Softwareprodukte für die additive Fertigung zu entwickeln und somit der Forschung und Industrie zusätzliche Werkzeuge für eine effiziente Entwicklung bereitzustellen.
Eine große Herausforderung bilden dabei additive Fertigungsprozesse wie das LPBF, da Bauteile im Bereich von mehreren cm durch die Überlagerung von Pulverschichten von wenigen 10 µm erzeugt werden und die lokalen Aufschmelzungen durch den Laser ebenfalls im Bereich von etwa 100 µm liegen. Diese Unterschiede in den Skalen stellen eine enorme Herausforderung an die Simulation dar, wenn lokale Vorgänge betrachtet werden sollen - z.B. Temperaturverläufe, die in einer individuellen Mikrostruktur und somit den Eigenschaften des Bauteils resultieren. Für die simulative Abbildung eines kompletten Bauteils wäre die Simulationszeit auch mit Hochleistungsrechner in Bereichen, die eine Integration von Simulationen in den Prozessablauf des LPBF Prozesses unmöglich erscheinen lassen.
Dieser Beitrag präsentiert eine Lösung für die Simulation der lokalen Temperaturhistorie für die Fertigung von Bauteilen beliebiger Geometrie mittels LPBF. Der Fokus liegt auf der realitätsnahen Nachbildung der lokaler Temperaturentwicklung, die dann in einem weiteren Schritt für die Entstehung der Phasen und Mikrostruktur genutzt werden soll. Es werden Lösungsansätze für die Kalibrierung der Wärmequelle auf Basis von experimentellen Voruntersuchungen an Ti6Al4V sowie ein Simulationsmodell auf mikroskopischer Skala präsentiert, dass Einflüsse des Fertigungsprozesses auf makroskopischer Skala berücksichtigt. Anhand einer umfangreichen Testreihe von Blindschweiß- sowie Singletrackversuchen erfolgt zudem eine Beurteilung der Vorhersagbarkeit des Einflusses von Parametervariation auf die Ausprägung von Schmelzbad und Wärmeeinflusszone.