Raytracing-basierte Elektronenstrahlcharakterisierung


Ein weiteres zentrales Forschungsfeld der Arbeitsgruppe ist die physikalisch fundierte Interpretation von ELO-Daten (Electron Optical Data) zur präzisen Charakterisierung des Elektronenstrahls im pulverbettbasierten Elektronenstrahlschmelzen. Die exakte Kenntnis von Strahlprofil, Leistungsdichteverteilung und Fokuslage ist entscheidend für das Verständnis des Energieeintrags und bildet die Grundlage für belastbare Prozesssimulationen sowie reproduzierbare Fertigungsstrategien.
Im Mittelpunkt stehen dabei raytracing-basierte Modelle, mit denen der Elektronenstrahl entlang der gesamten Elektronenoptik vom Kathodensystem bis zur Pulverbettoberfläche nachgebildet wird. Aufbauend auf diesen Modellen werden Methoden zur Rekonstruktion des realen Strahlprofils aus experimentell zugänglichen ELO-Messdaten entwickelt. Dadurch lassen sich nicht nur effektive Strahldurchmesser bestimmen, sondern auch komplexe Intensitätsverteilungen, Aberrationen und prozessrelevante Abweichungen vom idealisierten Gaußprofil erfassen.
Diese Arbeiten leisten einen wesentlichen Beitrag zur quantitativen Verknüpfung von Maschinenparametern, Strahlphysik und resultierendem Schmelzverhalten. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen direkt in numerische Prozessmodelle ein und ermöglichen eine deutlich realistischere Beschreibung des lokalen Energieeintrags als dies mit vereinfachten Strahlannahmen möglich wäre.
Die Forschung zur ELO-Dateninterpretation wurde maßgeblich im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 814 „Additive Fertigung“ vorangetrieben und bildet heute eine tragende Säule für weiterführende Projekte. Insbesondere im ERC-Projekt AMELI dienen die entwickelten Raytracing- und Rekonstruktionsansätze als Grundlage für eine durchgängige, physikbasierte Beschreibung des Elektronenstrahlprozesses – von der Elektronenoptik bis zur entstehenden Mikrostruktur.


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