Forscher des Fraunhofer IWM haben eine Methode zur Simulation der Laser Powder Bed Fusion-3D-Druckverfahrens auf Mikrostrukturebene entwickelt. Damit können sie direkte Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Werkstücke und der gewählten Prozessparameter erkennen. Für das Verfahren kombinierten sie unterschiedliche Simulationsmethoden.

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Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik haben laut einer Pressemitteilung des Fraunhofer IWM eine Methode zur Simulation des Laser Beam Powder Bed Fusion (PBF-LB) Additive Manufacturing-Prozesses auf Mikrostrukturebene entwickelt. Damit sind sie in der Lage, direkte Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften der Werkstücke und der gewählten Prozessparameter zu erkennen. Das Verfahren kombiniert unterschiedliche Simulationsmethoden und ermöglicht es, optimale Prozessparameter wie die Laserleistung oder die Scangeschwindigkeit des Lasers zu identifizieren. Im Juli 2022 haben wir von der Zusammenarbeit des Fraunhofer IWM und des Kunststoff-Zentrums SKZ, die an einem verbesserten Prozessverständnis zum 3D-Druckverfahren Powder Bed Fusion arbeiteten.

Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften

Raytracing-Simulation des LPBF-Prozesses
Die Laser Powder Bed Fusion ist ein weitverbreitetes Verfahren, um Bauteile und Werkzeuge additiv herzustellen (im Bild: Raytracing-Simulation des LPBF-Prozesses) (Bild © Fraunhofer IWM).

Die Mikrostruktur metallischer Körner ist für die mechanischen Eigenschaften der Bauteile besonders wichtig. Diese haben bestimmte Orientierungen, Formen und Größen, die die Eigenschaften beeinflussen. Gerade wenn Komponenten aus einer Materialmischung mit unterschiedlichen Mikrostrukturen bestehen, kann es sehr schwierig sein, optimale Prozessparameter während des PBF-LB-Prozesses zu bestimmen. Forscher des Fraunhofer IWM simulierten mit der Diskrete-Elemente-Methode mit dem Rakel, einem speziellen Werkzeug, wie sich die einzelnen Pulverpartikel in der Baukammer verteilen. Anschließend wird mit der Smoothed-Particle-Hydrodynamics-Methode simuliert, wie die Pulverpartikel schmelzen. Hier wurden die Laserinteraktion und die Wärmeleitung sowie die Oberflächenspannung, die die Schmelze zum Fließen bringt, berechnet. Die Simulation beschreibt die Mikrostruktur des Materials, um mechanische Materialeigenschaften vorherzusagen.

Dr. Claas Bierwisch, Teamleiter am Fraunhofer IWM, sagte:

„Um diese Mikrostruktur zu analysieren, haben wir eine weitere Simulationsmethode eingebaut, den sogenannten zellulären Automaten. Das beschreibt, wie die metallischen Körner in Abhängigkeit vom Temperaturgradienten wachsen.“

Finite-Elemente-Simulation

Wo der Laser auf das Pulver trifft, können Temperaturen von bis zu 3.000 °C entstehen, während das Material nur wenige Millimeter entfernt kühl ist. Der Laser bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von mehreren Metern pro Sekunde über das Pulverbett und erwärmt das Material äußerst schnell und kühlt in wenigen Millisekunden wieder ab. Das alles wirkt sich auf die Bildung der Mikrostruktur aus. Mit der Finite-Elemente-Simulation führten die Forscher an einem repräsentativen Volumenelement des Materials Zugversuche in verschiedene Richtungen durch, um die Reaktion des Materials auf die Belastungen zu prüfen.

Simulationskette zur Modellierung des LPBF-Prozesses vom Pulver bis zu mechanischen Eigenschaften
Ein bis zu 50 Mikrometer dickes Pulverbett wird bei der LPBF punktgenau via Laser erhitzt (im Bild: Simulationskette zur Modellierung des LPBF-Prozesses vom Pulver bis zu mechanischen Eigenschaften)(Bild © Fraunhofer IWM).

Dr. Bierwisch sagte:

„Im Experiment können wir nur das Endergebnis studieren, während wir in der Simulation in Echtzeit beobachten können, was passiert – wir stellen also eine Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehung her. Wenn wir zum Beispiel die Laserleistung erhöhen, verändert sich die Mikrostruktur. Dies wiederum wirkt sich erheblich auf die Streckgrenze des Materials aus. Das hat eine ganz andere Qualität als das, was in einem Experiment möglich ist. Fast schon forschend erkennt man Zusammenhänge.“

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