Phase Field/DG-FEM Analyse metallischer Additiver Fertigung

Additive Fertigung ist ein neuartiges, vielversprechendes Produktionsverfahren von 3D-Bauteilen. Ausgehend von einem digitalen 3D-Modell werden hochkomplexe, leichtgewichtige Geometrien schichtweise hergestellt. Für Metallbauteile hat sich dabei insbesondere das selektive Laserschmelzen (SLM) als attraktiv herausgestellt. Innerhalb einer Schutzgasatmosphäre wird ein dünnes Metallpulverbett auf einer Grundplatte aufgetragen. Darin scannen gebündelte Laserstrahlen anschließend die Konturen der finalen Geometrie, wobei die Pulverpartikel durch den Wärmeeintrag geschmolzen werden und ein Schmelzbad entsteht. Nach dem Scan einer Pulverlage erstarrt das noch flüssige Metall und fusioniert mit den darunterliegenden Schichten. Die Grundplatte wird um die Schichtdicke gesenkt und der Prozess wird wiederholt, bis das Bauteil fertig ist. Da das SLM-Verfahren noch recht jung ist, sind die zugrundeliegenden physikalischen Phänomene noch nicht vollständig untersucht. Somit ist der Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und der Bauteilqualität nur unzureichend verstanden. Gegenüber herkömmlichen Technologien ermöglicht die zyklische thermische Prozessgeschichte zwar eine Verbesserung der Materialeigenschaften. Gleichzeitig birgt diese erhöhte Komplexität, wie unvollständig geschmolzene Pulverpartikel, durch Verdampfung entstandene Poren oder verzogene Geometrien, welche zu unzureichenden mechanischen Eigenschaften des Bauteils führen. Die Ermittlung optimaler Prozesseinstellungen ist daher für die Fertigung strukturell einwandfreier Bauteile unerlässlich. Experimentell ist diese sehr aufwendig, da für jedes Bauteil individuell die Prozessparameter durch Versuch und Irrtum neu bestimmt werden müssen. Daher besteht ein enormer Bedarf an präzisen computergestützten Berechnungsmodellen, die eine digitale Prognose der finalen Bauteilqualität anhand der Prozessparameter ermöglichen. Ziel des Projektes ist es, ein computergestütztes Berechnungsmodell zu entwickeln, das die genaue Beschreibung der physikalischen Prozesse im Schmelzbadbereich, d.h. Bildung des Schmelzbades, Wechselwirkung der flüssigen und dampfförmigen Metallphase sowie des Schutzgases, welche maßgeblich die finale Bauteilqualität beeinflussen, ermöglicht. Die zugrundeliegende hohe Dynamik der Prozesse (Zeitskala Mikrosekunde) erfordert robuste und effiziente, neuartige Berechnungsverfahren, um praktisch relevante Längen- und Zeitskalen abzubilden. Die extremen Unterschiede in den Materialeigenschaften an den Phasengrenzen (Dichteverhältnis Metallschmelze zu -dampf ~10000) werden mit der Phasenfeldmethode erfasst. Kombiniert mit der DG-FEM-Methode, ein neuartiges, hochleistungsfähiges numerisches Verfahren, soll somit ein realitätsnahes Berechnungsmodell erstellt werden. Dieses soll ein Schlüsselmodell für das mittelfristige Ziel einer ganzheitlichen, simulationsbasierten Prognose des SLM-Prozesses bilden, um die gesamte Prozesskette von der Pulverbeschickung bis zu den finalen Bauteileigenschaften digital abzubilden.

Die Additive Fertigung ist ein neues, zukunftsträchtiges Verfahren zur Herstellung von 3D-Bauteilen. Ausgehend von einem digitalen 3D-Modell werden hochkomplexe, leichte Geometrien schichtweise aufgebaut. Für metallische Bauteile hat sich das Pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (engl. Laser-Based Powder Bed Fusion, LPBF) als besonders attraktiv erwiesen. Dabei wird ein dünnes Metallpulverbett unter Schutzgasatmosphäre auf eine Grundplatte aufgetragen. Anschließend scannen gebündelte Laserstrahlen die Konturen der Endgeometrie, wobei die Pulverpartikel durch den Wärmeeintrag aufgeschmolzen werden und ein Schmelzbad entsteht. Nach dem Scan einer Pulverschicht erstarrt das noch flüssige Metall und verschmilzt mit den darunterliegenden Schichten. Die Grundplatte wird um die Schichtdicke abgesenkt und der Prozess wiederholt sich, bis das Bauteil fertig ist. Da das LPBF-Verfahren noch relativ jung ist, sind die zugrunde liegenden physikalischen Phänomene noch nicht vollständig erforscht. Der Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und der Bauteilqualität ist daher nur unzureichend verstanden, sodass das Potenzial noch nicht voll ausgeschöpft werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Technologien ermöglicht die zyklische thermische Prozessgeschichte zwar eine Verbesserung der Materialeigenschaften. Gleichzeitig birgt diese erhöhte Komplexität, wie verdampfungsbedingte Poren und Pulverbewegungen, unvollständig aufgeschmolzene Pulverpartikel, oder verzogene Geometrien, die zu unzureichenden mechanischen Bauteileigenschaften führen. Die Ermittlung optimaler Prozesseinstellungen ist daher für die Fertigung strukturell einwandfreier Bauteile unerlässlich. Experimentell ist dies sehr aufwändig, da die Prozessparameter für jedes Bauteil individuell durch Versuch und Irrtum neu bestimmt werden müssen. Daher besteht ein enormer Bedarf an präzisen computergestützten Berechnungsmodellen, die eine digitale Prognose der finalen Bauteilqualität anhand der Prozessparameter ermöglichen. Ziel des Projektes war die Entwicklung eines computergestützten Berechnungsmodells, das eine genaue Beschreibung der physikalischen Vorgänge im Schmelzbadbereich, d.h. der Schmelzbadbildung sowie der Wechselwirkung zwischen der flüssigen und dampfförmigen Metallphase bzw. des Schutzgases, welche maßgeblich die finale Bauteilqualität beeinflussen, ermöglicht. Die zugrundeliegende hohe Dynamik der Prozesse erfordert robuste und effiziente, neuartige Berechnungsverfahren, um praktisch relevante Längen- und Zeitskalen abzubilden. Wir nutzen dafür die (dis)kontinuierliche Galerkin-Finite-Elemente-Methode zusammen mit einem Phasenfeld-basierten Verfahren zur Modellierung der extremen Unterschiede in den Materialeigenschaften an den Phasengrenzen. Damit können komplexe topologische Veränderungen im Schmelzbad wie tiefe Dampfkapillaren, Poren, Metallspritzer usw. erfasst werden. Zur Steigerung der Recheneffizienz werden adaptive Vernetzung und hocheffiziente matrixfreie Löser eingesetzt, die im Einklang mit aktuellen Trends in Exascale-Finite-Elemente-Algorithmen stehen. Als zentrales Ergebnis wurden neue mathematische Formulierungen vorgeschlagen, um die starke Kopplung zwischen der Dynamik des flüssigen Metalls und der Gasströmung genau zu erfassen. Das entwickelte numerische Schmelzbadmodell bildet ein Schlüsselmodell für das mittelfristige Ziel einer ganzheitlichen, simulationsbasierten Charakterisierung des LPBF-Prozesses, um die gesamte Prozesskette von der Pulverbeschickung bis zu den finalen Bauteileigenschaften digital abzubilden.