Lehrstuhl für Computational Physics in Engineering (CPE)

Modellierung des selektiven Laserschmelzens (SLS)

Keywords:

Selektives Laserschmelzen, Prozesssimulation, OpenFOAM, Julia, MATLAB, Machine Learning, Finite Differenzen Method, GPU

Zusammenfassung des Projektes

Beim selektiven Laserschmelzen wird das Pulver durch einen Laser geschmolzen und so das Werkstück schichtweise aufgebaut. Der additive Fertigungsprozess wird auf verschiedenen Skalen modelliert,
auf der Makroebene

  • der Temperaturverlauf
  • die Eigenspannungen

auf der Mesoebene

  • das Pulverbett
  • das Schmelzen des Materials
  • die Mikrostruktur

Das selektive Laserschmelzen, (engl. Selective Laser Melting, SLM) gehört zu den additiven Fertigungsverfahren. Dabei wird ein Pulvermaterial durch einen Laser lokal aufgeschmolzen und bildet nach kurzer Abkühlung eine zusammenhängende feste Struktur. So entsteht schichtweise ein dreidimensionales Bauteil. Benötigte Laserbahnen (scan-strategie) werden aus den Daten des 3D-Körpers berechnet. Dadurch lassen sich auch komplexeste Geometrien und poröse oder innere Strukturen materialeffizient fertigen. Dies macht das Verfahren sehr interessant, Beispielsweise für die Luft- und Raumfahrtindustrie (Leichtbau).

Die lokale Einbringung des Lasers, Abkühlung mit extremen Abkühlraten und das Wiedererwärmen der Struktur führen allerdings zu anisotropen Werkstoffeigenschaften und Eigenspannungen. Prozessparameter wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Schichthöhe müssen daher optimal und individuell für ein Bauteil bestimmt werden. Simulationen bieten daher die ideale Möglichkeit zur Parameterbestimmung und tragen so zur Sicherstellung von Bauteileigenschaften und Prozessstabilität bei.

Um die beschriebenen Effekte und Wechselwirkungen des Prozesses ganzeinheitlich zu berücksichtigten sind Simulationen von der Mikro- bis hin zur Makroebene mit dazugehörigen Zeitskalen nötig. Dies führt schnell zu hochintensiven Berechnungsmodellen, was nur unter größten Anstrengungen gelöst werden kann und häufig für Parameteroptimierung oder Industrie unpraktikabel ist, weshalb weitere Modellierungs- und Berechnungsstrategien gefunden werden müssen. 

Der CPE-Lehrstuhl verfolgt einen multiphysikalischen bottom-up Ansatz bei den verschiedenen Simulationen (CFD, DEM, FEM), sog. Basissimulationen, für die einzelnen Skalen getrennt voneinander und im Voraus durchgeführt werden. Im Anschluss werden daraus einfache und schnelle Ersatzmodelle entwickelt, welche in ein übergeordnetes Hauptmodell eingebaut werden. Mit diesem Ansatz wollen wir ein ganzeinheitliches Modell erreichen, was Bauteilperformance vorhersagen und zur Optimierung verwendet werden kann.

 

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Projektergebnisse

Ergebnisse aus diesem Forschungsprojekt

Modellierungskonzept
Temperatursimulation
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