Simulation des Pulverauftrags im PBF-LB/M, Beitrag 5, Bastien Dietemann, Fraunhofer IWM
Teil 5: Simulation des Pulverauftrags im PBF-LB/M
Dr. Bastien Dietemann, Fraunhofer IWM
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In diesem Beitrag stelle ich unseren holistischen Simulationsansatz vor, mit dem wir den kompletten Prozess vom Pulver bis zu den fertigen Bauteileigenschaften abbilden. Wir verwenden eine Kombination aus verschiedenen Simulationsmethoden, die sich für den jeweiligen Prozess am besten eignen.
Den Pulverauftrag simulieren wir mit der Diskreten Elemente Methode mit der das Pulverfließverhalten geeignet abgebildet werden kann. Das Ergebnis dieser Simulation ist die Verteilung des Pulvers auf der Bauplattform.
Dieses Pulver wird nun mit einem Laser geschmolzen. Eine Methode, die für die Simulation geeignet ist, ist die Smoothed Particle Hydrodynamics. Diese Methode kann sämtliche physikalischen Phänomene abbilden: Wie genau sieht es aus, wenn das Pulver schmilzt, Pulverpartikel miteinander fusionieren und die Schmelze anschließend wieder verfestigt? Ein wichtiges Ergebnis dieser Simulation ist die genaue Form des Schmelzbads, aber auch die Temperaturhistorie. Denn diese beiden Informationen werden benötigt für die dritte Simulation: Für die Vorhersage der Mikrostruktur.
Für die Simulation der Mikrostrukturentstehung verwenden wir die Methode des Zellulären Automaten. Wir nutzen die bereits simulierte Temperaturhistorie zur Berechnung der Wachstumskinetik der Mikrostruktur. Das Ergebnis dieser Simulation ist die Größe und Form der Körner, wobei wir die Gesamtheit aller Körner als Mikrostruktur verstehen.
Mechanische Bauteileigenschaften – das bedeutet wie verhält sich ein Material, wenn es mit äußeren Kräften beaufschlagt wird? Diese Eigenschaften modellieren wir mit der Finiten Element Methode. Konkret nutzen wir hier die Mikrostruktur aus dem vorherigen Schritt und simulieren zahlreiche Kraftzustände. Nun messen wir die Reaktion der Mikrostruktur auf diese Kräfte und ermitteln hieraus dann die mechanischen Eigenschaften von Interesse wie z.B. das E-Modul, oder die maximale Spannung im Bauteil.
Das Besondere an unserem Vorgehen ist, dass wir den kompletten Prozess mit unseren Methoden abdecken können.