Simulation der additiven Fertigung

   Im Rahmen der additiven Fertigung konzentriert sich die Arbeitsgruppe „Numerische Simulation“ auf strahlbasierte Verfahren im Pulverbett. Hier können sowohl verschiedenste Metalle (Ti64, TiAl, IN718) als auch Polymere (PA12) simuliert werden. Forschungsschwerpunkte sind in enger Kooperation mit der experimentellen Arbeitsgruppe „Additive Fertigung“ das Verständnis der grundlegenden Mechanismen beim Pulverschmelzen und der Materialkonsolidierung sowie der Vorhersage innovativer Prozessstrategien bezüglich z.B. Bauteildichte, Gefüge oder chemischer Zusammensetzung.
   Um eine prädiktive Software erstellen zu können sind möglichst exakte physikalische und numerische Modelle notwendig. Der wichtigste Aspekt hierbei ist die korrekte Modellierung des thermischen Haushalts des Prozesses. Nahezu alle Modifikationen der Prozessparameter haben einen Einfluss auf die Wärmeleitung, den Energieeintrag oder den Wärmeverlust durch beispielsweise Wärmestrahlung oder Verdampfung. Weiterhin sind viele Werkstoffparameter temperaturabhängig und somit sensitiv gegenüber einer korrekten Modellierung. Beim Aufschmelzen des Werkstoffs entsteht ein Schmelzbad, dessen Dynamik im Wesentlichen durch Kapillarität, Verdampfungsdrücke, Benetzungseffekte, Marangoni-Strömungen und Gravitation bestimmt wird. Bei der Erstarrung haben der Temperaturgradient und die Erstarrungsgeschwindigkeit einen maßgeblichen Einfluss auf die entstehende Mikrostruktur.
   Die 2D Simulationssoftware SAMPLE^2D des selektiven Elektronenstrahlschmelzens (SEBM) basiert auf der Software zur Modellierung der Schaumbildung. Die Basissoftware wurde um viele Module erweitert: Diese umfassen Funktionalitäten wie Elektronenstrahlabsorption, Phasenumwandlungen, (selektive) Verdampfung oder Kornwachstum. Ziel der Software ist nach einer experimentellen Validierung die Vorhersage von Prozessfester und die Erklärung für im Prozess auftretende Phänomene. Ein Großteil der auftretenden Effekte beim selektiven Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) können mit einer 2D Simulation abgebildet werden. Für eine realistischere Modellierung der Schmelzpooldynamik und des Kornwachstums sind jedoch 3D Simulationen hilfreich. Deswegen wurden am Lehrstuhl WTM hierfür zwei unterschiedliche Programme entwickelt. Die 3D Simulationssoftware SAMPLE^3D der Hydrodynamik erfordert eine hochparallele Implementierung, die in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Systemsimulation entstanden ist. Hier kann die Schmelzpooldynamik und die Konsolidierung in voller räumlicher Dimension untersucht werden. Dadurch konnten Prozessfenster für dichte Bauteile für innovative Prozessstrategien vorhergesagt werden. Für das Kornwachstum wird die separate Software SAMPLE^3D_GS entwickelt, die es ermöglicht, alle möglichen Orientierung der Körner während des Prozesses abzubilden. Es wird ein makroskopischer Ansatz gewählt, d.h. hier wird nicht mehr jedes einzelne Pulverpartikel aufgelöst, sondern ein Kontinuum betrachtet. Weiterhin wird hier ausschließlich die Thermodynamik berechnet. Hintergrund ist der hohe Rechenaufwand für Domänen in der Größenordnung realistischer Bauteile.
   Neben der Förderung durch Industriepartner und Einzelverfahren der DFG, werden die Simulationsprogramme maßgeblich innerhalb des SFB 814 „Additive Fertigung“ entwickelt (http://www.sfb814.forschung.uni-erlangen.de/).

• Körner C., Markl M., Koepf JA.:
  Modeling and Simulation of Microstructure Evolution for Additive Manufacturing of Metals: A Critical Review
  In: Metallurgical and Materials Transactions A-Physical Metallurgy and Materials Science (2020)
  ISSN: 1073-5623
  DOI: 10.1007/s11661-020-05946-3
• Gotterbarm M., Rausch A., Körner C.:
  Fabrication of Single Crystals through a µ-Helix Grain Selection Process during Electron Beam Metal Additive Manufacturing
  In: Metals (2020)
  ISSN: 2075-4701
  DOI: 10.3390/met10030313