Simulation of the laser powder bed melting process from powder application to mechanical component properties

The laser powder bed fusion process is holistically modelled by means of suitable numerical methods. The Discrete Element Method is used for powder spreading simulations yielding realistic powder beds. Smoothed Particle Hydrodynamics simulations are then used to study the thermal-viscous flow in the melt pool considering laser energy absorption, radiation, heat transfer, melting and re-solidification, surface tension, Marangoni currents and vaporization pressure. The melt pool simulation is coupled to a Cellular Automaton, which calculates the growth of dendritic grains based on the temperature field and, thus, provides a prediction for the microstructure formed during solidification. The obtained microstructure serves as input for Crystal Plasticity Finite Element Analyses to qualitatively describe texture dependent mechanical properties.

Der Laser-Pulverbett-Schmelzprozess wird unter Verwendung geeigneter numerischer Methoden durchgängig simuliert. Mittels der Diskreten Elemente Methode wird ein realistisches Pulverbett erstellt. Mit Smoothed Particle Hydrodynamics wird die Dynamik des Schmelzbads unter Berücksichtigung von Laserabsorption und -reflektion, Strahlung, Wärmeübergang, Schmelzen und Erstarren, thermischer Viskosität, Oberflächenspannung und Verdampfungsdruck modelliert. Das Temperaturfeld des Schmelzbads wird mit einem zellulären Automaten gekoppelt, der das Wachstum dendritischer Körner modelliert und damit die Mikrostruktur vorhersagt. Anhand der Mikrostruktur werden schließlich mechanische Eigenschaften mittels Finite-Element-Analyse unter Verwendung von Kristallplastizitätsmodellen quantitativ berechnet.