Die Arbeitsgruppe Numerische Simulation widmet sich der grundlagenorientierten und zugleich anwendungsnahen Erforschung additiver Fertigungsprozesse, mit einem klaren Schwerpunkt auf dem selektiven Elektronenstrahlschmelzen (electron beam powder bed fusion, PBF-EB). Die Arbeiten der Gruppe leisten einen international sichtbaren Beitrag zur Weiterentwicklung dieser Technologie und positionieren sich im Umfeld der weltweit führenden Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet. Im Fokus steht die Entwicklung physikalisch fundierter Simulationsansätze, die ein tiefgehendes Verständnis der hochdynamischen Vorgänge während des Fertigungsprozesses ermöglichen und neue Wege zur gezielten Prozess- und Werkstoffgestaltung eröffnen.

Rein experimentelle Ansätze stoßen in der additiven Fertigung früh an fundamentale Grenzen: Zentrale Prozessgrößen wie lokale Temperaturfelder, zeitlich hochaufgelöste thermische Zyklen oder Erstarrungsbedingungen sind nur eingeschränkt zugänglich oder gar nicht direkt messbar. Gleichzeitig ist der experimentelle Aufwand für systematische Parameterstudien hoch. Vor diesem Hintergrund bildet die numerische Simulation das zentrale Erkenntnisinstrument der Arbeitsgruppe, um die relevanten Prozessmechanismen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu erfassen.

Die Gruppe entwickelt und erweitert eigene Simulationsmodelle und methodische Werkzeuge, die über bestehende Standardansätze hinausgehen und aktiv zur Weiterentwicklung der Simulationstechnologie im Bereich der additiven Fertigung beitragen. Diese Modelle ermöglichen die quantitative Vorhersage von thermischen Feldern, Prozessdynamiken und mikrostrukturellen Entwicklungen in Abhängigkeit von Strahlführung, Scanstrategie, Bauteilgeometrie und Materialeigenschaften. Dadurch werden komplexe Wechselwirkungen im PBF-EB-Prozess erstmals systematisch zugänglich gemacht und neue Prozessstrategien virtuell entworfen und bewertet.

Ein zentraler Anspruch der Forschung ist die enge Kopplung von Simulation und Experiment. Experimentelle Beobachtungen dienen der Validierung und Parametrisierung der Modelle, während simulationsbasierte Erkenntnisse gezielt neue experimentelle Fragestellungen, Messkonzepte und Prozessvarianten definieren. Diese wechselseitige Verzahnung erlaubt es, experimentelle Arbeiten hochgradig zielgerichtet einzusetzen und den Erkenntnisgewinn deutlich zu beschleunigen.

Darüber hinaus bildet die numerische Simulation einen wesentlichen Brückenschlag zur Legierungsentwicklung. Die detaillierte Analyse von Temperatur-Zeit-Verläufen, Abkühlraten und thermischen Zyklen liefert entscheidende Informationen über Erstarrungsbedingungen und mikrostrukturelle Evolution. Auf dieser Basis werden Legierungen gezielt an die spezifischen Randbedingungen additiver Fertigungsprozesse angepasst und neue werkstoffspezifische Prozessfenster erschlossen. Damit trägt die Arbeitsgruppe nicht nur zur Prozess-, sondern auch zur werkstoffseitigen Weiterentwicklung additiver Fertigungstechnologien bei.

Simulationsbasierte Prozessstrategien

In-situ Mikrostruktureinstellung

Elektronenoptische Analyse

Numerische Legierungsentwicklung

Dr.-Ing. Matthias Markl	E-Mail: matthias.markl@fau.de
Dr.-Ing. Benjamin Wahlmann	E-Mail: benjamin.wahlmann@fau.de
Jonas Böhm	E-Mail: jonas.boehm@fau.de
Tobias Kupfer	E-Mail: tobias.kupfer@fau.de
Dominik Leidel	E-Mail: dominik.leidel@fau.de
Lukas Petersen	E-Mail: lukas.petersen@fau.de
Jonas Plewinski	E-Mail: jonas.plewinski@fau.de
Alexander Rausch	E-Mail: alex.rausch@fau.de

Böhm J., Markl M., Körner C.:
High-throughput numerical exploration of preheating and sintering in electron beam powder bed fusion
In: Thermal Science and Engineering Progress 69 (2026), Article No.: 104405
ISSN: 2451-9057
DOI: 10.1016/j.tsep.2025.104405
Breuning C., Renner J., Markl M., Körner C.:
Processing Strategies for Electron Beam Based Powder Bed Fusion
In: Dietmar Drummer, Michael Schmidt (ed.): Progress in Powder Based Additive Manufacturing, Springer Nature, 2025, p. 127-148 (Springer Tracts in Additive Manufacturing, Vol.Part F386)
DOI: 10.1007/978-3-031-78350-0_7
Jaksch A., Cholewa S., Bartels D., Markl M., Drummer D.:
Introduction to Powder and Beam Based Additive Manufacturing
In: Progress in Powder Based Additive Manufacturing, Cham: Springer, 2025, p. 1-11 (Springer Tracts in Additive Manufacturing, Vol.Part F386)
ISBN: 9783031783494
DOI: 10.1007/978-3-031-78350-0_1
Kupfer T., Leimbach S., Spano L., Pohl S., Körner C., Markl M.:
Spot melting sequences for complex geometries in electron beam powder bed fusion
In: Progress in Additive Manufacturing (2025)
ISSN: 2363-9512
DOI: 10.1007/s40964-025-01251-w
Kupfer T., Spano L., Pohl S., Körner C., Markl M.:
Spot Melting Strategy for Contour Melting in Electron Beam Powder Bed Fusion
In: Journal of Manufacturing and Materials Processing 9 (2025), p. 303
ISSN: 2504-4494
Scherr R., Hirschfelder T., Markl M., Körner C.:
Simulation-driven development of in-situ alloying Cu-25Cr by electron beam powder bed fusion
In: Additive Manufacturing 109 (2025), Article No.: 104874
ISSN: 2214-7810
DOI: 10.1016/j.addma.2025.104874
Yang Z., Herrnböck L., Markl M., Mergheim J., Steinmann P., Körner C.:
Mesoscopic Modeling and Simulation of Properties of Additively Manufactured Metallic Parts
In: Dietmar Drummer, Michael Schmidt (ed.): Progress in Powder Based Additive Manufacturing, Springer Nature, 2025, p. 309-330 (Springer Tracts in Additive Manufacturing, Vol.Part F386)
DOI: 10.1007/978-3-031-78350-0_15
Böhm J., Breuning C., Markl M., Körner C.:
A new approach of preheating and powder sintering in electron beam powder bed fusion
In: International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2024)
ISSN: 0268-3768
DOI: 10.1007/s00170-024-13966-1
Breuning C., Markl M., Körner C.:
Correction to: A Scan Strategy Based Compensation of Cumulative Heating Effects in Electron Beam Powder Bed Fusion (Progress in Additive Manufacturing, (2024), 10.1007/s40964-024-00807-6)
In: Progress in Additive Manufacturing (2024)
ISSN: 2363-9512
DOI: 10.1007/s40964-024-00841-4
Breuning C., Markl M., Körner C.:
A Scan Strategy Based Compensation of Cumulative Heating Effects in Electron Beam Powder Bed Fusion
In: Progress in Additive Manufacturing (2024)
ISSN: 2363-9512
DOI: 10.1007/s40964-024-00807-6
Gaag T., Weidinger J., Bandorf J., Lux V., Wahlmann B., Neumeier S., Zenk C., Körner C.:
Experimental Validation of Property Models and Databases for Computational Superalloy Design
In: Advanced Engineering Materials (2024)
ISSN: 1438-1656
DOI: 10.1002/adem.202401051
Kammermeier E., Weidinger J., Ionov I., Ramsperger M., Wahlmann B., Körner C., Zenk C.:
Accelerating Alloy Development for Additive Manufacturing
15th International Symposium on Superalloys, ISS 2024 (Pennsylvania, PA, 8. September 2024 - 12. September 2024)
In: Jonathan Cormier, Ian Edmonds, Stephane Forsik, Paraskevas Kontis, Corey O’Connell, Timothy Smith, Akane Suzuki, Sammy Tin, Jian Zhang (ed.): Minerals, Metals and Materials Series 2024
DOI: 10.1007/978-3-031-63937-1_11
Koepf JA., Pistor J., Markl M., Körner C.:
Numerical Microstructure Prediction for Lattice Structures Manufactured by Electron Beam Powder Bed Fusion
In: Crystals 14 (2024), Article No.: 149
ISSN: 2073-4352
DOI: 10.3390/cryst14020149
Kupfer T., Breuning C., Markl M.:
Graph-based spot melting sequence for electron beam powder bed fusion
In: Additive Manufacturing 91 (2024), Article No.: 104321
ISSN: 2214-7810
DOI: 10.1016/j.addma.2024.104321
Markl M., Azadi Tinat MR., Berger T., Westrich Y., Renner J., Körner C.:
In-situ electron beam characterization for electron beam powder bed fusion
In: Additive Manufacturing 96 (2024), Article No.: 104567
ISSN: 2214-7810
DOI: 10.1016/j.addma.2024.104567
Markl M., Azadi Tinat MR., Berger T., Renner J., Körner C.:
Extracting powder bed features via electron optical images during electron beam powder bed fusion
In: Additive Manufacturing Letters 10 (2024), Article No.: 100220
ISSN: 2772-3690
DOI: 10.1016/j.addlet.2024.100220
Markl M., Colosimo BM., Körner C.:
Progress in electron beam additive manufacturing
In: Progress in Additive Manufacturing (2024)
ISSN: 2363-9512
DOI: 10.1007/s40964-024-00679-w
Scherr R., Liepold P., Markl M., Körner C.:
A CALPHAD-Informed Enthalpy Method for Multicomponent Alloy Systems with Phase Transitions
In: Modelling 5 (2024), p. 367-391
ISSN: 2673-3951
DOI: 10.3390/modelling5010020
Renner J., Markl M., Körner C.:
In situ build surface topography determination in electron beam powder bed fusion
In: Progress in Additive Manufacturing (2024)
ISSN: 2363-9512
DOI: 10.1007/s40964-024-00621-0
Titz K., Vollhüter J., Randelzhofer P., Neumeier S., Göken M., Wahlmann B., Körner C.:
Design and Characterization of a Novel NiAl–(Cr,Mo) Eutectic Alloy
In: Advanced Engineering Materials (2024)
ISSN: 1438-1656
DOI: 10.1002/adem.202302079
Wahlmann B., Markl M., Körner C.:
A thermo-mechanical model for hot cracking susceptibility in electron beam powder bed fusion of Ni-base superalloys
In: Materials & Design 237 (2024), Article No.: 112528
ISSN: 0264-1275
DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112528
Wahlmann B.:
Numerische Entwicklung von Superlegierungen für den Guss und die Additive Fertigung (Dissertation, 2024)
Yang Z., Koepf JA., Markl M., Körner C.:
Effect of scanning strategies on grain structure and texture of additively manufactured lattice struts: A numerical exploration
In: Advanced Engineering Materials (2024)
ISSN: 1438-1656
DOI: 10.1002/adem.202400661
Yang Z., Markl M., Körner C.:
Comprehensive numerical investigation of laser powder bed fusion process conditions for bulk metallic glasses
In: Additive Manufacturing 81 (2024), Article No.: 104026
ISSN: 2214-7810
DOI: 10.1016/j.addma.2024.104026
Yang Z.:
Modeling and Simulation of Bulk Metallic Glass Crystallization During Laser Powder Bed Fusion (Dissertation, 2024)
DOI: 10.25593/open-fau-715
Baumgärtner B., Rothfelder R., Greiner S., Breuning C., Renner J., Schmidt M., Drummer D., Körner C., Markl M., Hausotte T.:
Evaluation of Additively-Manufactured Internal Geometrical Features Using X-ray-Computed Tomography
In: Journal of Manufacturing and Materials Processing (2023)
ISSN: 2504-4494
DOI: 10.3390/jmmp7030095
Breuning C., Böhm J., Markl M., Körner C.:
High-Throughput Numerical Investigation of Process Parameter-Melt Pool Relationships in Electron Beam Powder Bed Fusion
In: Modelling 4 (2023), p. 336-350
ISSN: 2673-3951
DOI: 10.3390/modelling4030019
Breuning C., Markl M., Körner C.:
A return time compensation scheme for complex geometries in electron beam powder bed fusion
In: Additive Manufacturing 76 (2023), p. 103767
ISSN: 2214-7810
DOI: 10.1016/j.addma.2023.103767
Koepf JA., Gotterbarm M., Kumara C., Markl M., Körner C.:
Alternative Approach to Modeling of Nucleation and Remelting in Powder Bed Fusion Additive Manufacturing
In: Advanced Engineering Materials (2023)
ISSN: 1438-1656
DOI: 10.1002/adem.202201682
Mergheim J., Breuning C., Burkhardt C., Hübner D., Köpf J., Herrnböck L., Yang Z., Körner C., Markl M., Steinmann P., Stingl M.:
Additive manufacturing of cellular structures: Multiscale simulation and optimization
In: Journal of Manufacturing Processes 95 (2023), p. 275-290
ISSN: 1526-6125
DOI: 10.1016/j.jmapro.2023.03.071
Nahr F., Rasch M., Burkhardt C., Renner J., Baumgärtner B., Hausotte T., Körner C., Steinmann P., Mergheim J., Schmidt M., Markl M.:
Geometrical Influence on Material Properties for Ti6Al4V Parts in Powder Bed Fusion
In: Journal of Manufacturing and Materials Processing 7 (2023), p. 82
ISSN: 2504-4494
DOI: 10.3390/jmmp7030082
Renner J., Grund J., Markl M., Körner C.:
A Ray Tracing Model for Electron Optical Imaging in Electron Beam Powder Bed Fusion
In: Journal of Manufacturing and Materials Processing 7 (2023), Article No.: 87
ISSN: 2504-4494
DOI: 10.3390/jmmp7030087
Scherr R., Markl M., Körner C.:
Volume of fluid based modeling of thermocapillary flow applied to a free surface lattice Boltzmann method
In: Journal of Computational Physics 492 (2023), Article No.: 112441
ISSN: 0021-9991
DOI: 10.1016/j.jcp.2023.112441
Uddagiri M., Shchyglo O., Steinbach I., Wahlmann B., Körner C.:
Phase-Field Study of the History-Effect of Remelted Microstructures on Nucleation During Additive Manufacturing of Ni-Based Superalloys
In: Metallurgical and Materials Transactions A-Physical Metallurgy and Materials Science (2023)
ISSN: 1073-5623
DOI: 10.1007/s11661-023-07004-0
Wahlmann B., Markl M., Körner C.:
A Thermo-Mechanical Model for Hot Cracking Susceptibility in Electron Beam Powder Bed Fusion of Ni-Base Superalloys
In: Materials & Design 237 (2023), p. 112528
ISSN: 0264-1275
DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112528
Yang Z., Huber F., Krapf A., Merle B., Markl M., Schmidt M., Körner C.:
Revealing bulk metallic glass crystallization kinetics during laser powder bed fusion by a combination of experimental and numerical methods
In: Journal of Non-Crystalline Solids 619 (2023), Article No.: 122532
ISSN: 0022-3093
DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2023.122532
Yang Z., Kuesters Y., Logvinov R., Markl M., Körner C.:
SAMPLE3D: A versatile numerical tool for investigating texture and grain structure of materials processed by PBF processes
IVth International Conference on Simulation for Additive Manufacturing (Sim-AM 2023) (München, 26. Juli 2023 - 28. Juli 2023)
DOI: 10.23967/c.simam.2023.006
Breuning C., Pistor J., Markl M., Körner C.:
Basic Mechanism of Surface Topography Evolution in Electron Beam Based Additive Manufacturing
In: Materials 15 (2022), Article No.: 4754
ISSN: 1996-1944
DOI: 10.3390/ma15144754
Renner J., Breuning C., Markl M., Körner C.:
Surface topographies from electron optical images in electron beam powder bed fusion for process monitoring and control
In: Additive Manufacturing 60 (2022), Article No.: 103172
ISSN: 2214-7810
DOI: 10.1016/j.addma.2022.103172
Yang Z., Markl M., Körner C.:
Predictive simulation of bulk metallic glass crystallization during laser powder bed fusion
In: Additive Manufacturing 59 (2022), Article No.: 103121
ISSN: 2214-7810
DOI: 10.1016/j.addma.2022.103121
Yang Z., Wang H., Krauß S., Huber F., Merle B., Schmidt M., Markl M., Körner C.:
Evolution of an industrial-grade Zr-based bulk metallic glass during multiple laser beam melting
In: Journal of Non-Crystalline Solids 589 (2022), Article No.: 121649
ISSN: 0022-3093
DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2022.121649
Wahlmann B., Bandorf J., Volz N., Förner A., Pröbstle J., Multerer K., Göken M., Markl M., Neumeier S., Körner C.:
Numerical Design of CoNi-Base Superalloys With Improved Casting Structure
In: Metallurgical and Materials Transactions A-Physical Metallurgy and Materials Science (2022)
ISSN: 1073-5623
DOI: 10.1007/s11661-022-06870-4
Breuning C., Arnold C., Markl M., Körner C.:
A multivariate meltpool stability criterion for fabrication of complex geometries in electron beam powder bed fusion
In: Additive Manufacturing 45 (2021), Article No.: 102051
ISSN: 2214-7810
DOI: 10.1016/j.addma.2021.102051
Kergaßner A., Köpf J., Markl M., Körner C., Mergheim J., Steinmann P.:
A Novel Approach to Predict the Process-Induced Mechanical Behavior of Additively Manufactured Materials
In: Journal of Materials Engineering and Performance (2021)
ISSN: 1059-9495
DOI: 10.1007/s11665-021-05725-0
Küng V., Scherr R., Markl M., Körner C.:
Multi-material model for the simulation of powder bed fusion additive manufacturing
In: Computational Materials Science 194 (2021)
ISSN: 0927-0256
DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110415
Rausch A., Pistor J., Breuning C., Markl M., Körner C.:
New grain formation mechanisms during powder bed fusion
In: Materials 14 (2021), Article No.: 3324
ISSN: 1996-1944
DOI: 10.3390/ma14123324
Wahlmann B., Leidel D., Markl M., Körner C.:
Numerical Alloy Development for Additive Manufacturing towards Reduced Cracking Susceptibility
In: Crystals 11 (2021)
ISSN: 2073-4352
DOI: 10.3390/cryst11080902
Wimler D., Käsznar K., Musi M., Breuning C., Markl M., Keckes J., Clemens H., Körner C., Mayer S.:
How electron beam melting tailors the Al-sensitive microstructure and mechanical response of a novel process-adapted γ-TiAl based alloy
In: Materials & Design 212 (2021), Article No.: 110187
ISSN: 0264-1275
DOI: 10.1016/j.matdes.2021.110187
Yang Z., Bauereiß A., Markl M., Körner C.:
Modeling laser beam absorption of metal alloys at high temperatures for selective laser melting
In: Advanced Engineering Materials 23 (2021), Article No.: 2100137
ISSN: 1438-1656
DOI: 10.1002/adem.202100137
Yang Z., Al-Mukadam R., Stolpe M., Markl M., Deubener J., Körner C.:
Isothermal crystallization kinetics of an industrial-grade Zr-based bulk metallic glass
In: Journal of Non-Crystalline Solids 573 (2021), Article No.: 121145
ISSN: 0022-3093
DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2021.121145

Term: 1. November 2021 - 31. Oktober 2027
Funding source: ERC Advanced Grant
Acronym: AMELI
Project leader: Carolin Körner

Prof. Dr.-Ing. habil. Carolin Körner

Leitung

E-Mail: carolin.koerner@fau.de

Die additive Fertigung (AF), ein von der Basis ausgehender Ansatz, bei dem aufeinanderfolgende Schichten zur Herstellung eines Bauteils „hinzugefügt“ werden, hat die Kosten, den Zeitaufwand und die Materialverschwendung bei der Herstellung von Teilen für die Luft- und Raumfahrt verringert und gleichzeitig den Designraum und die Eigenschaften verbessert. Beim Pulverbettschmelz-Elektronenstrahlverfahren (PBF-EB) werden zunächst Metallpulver geschmolzen, um die Schichten zu bilden. Die Herausforder…

Numerische Simulation

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