Teilprojekt C3

Suche


Makroskopische Modellierung, Simulation und Optimierung strahlbasierter Fertigungsprozesse mit pulverförmigen Ausgangswerkstoffen

Finite-Elemente Simulation des selektiven Laserstrahlschmelzens eines SFB814 Logos in einem PA12 Pulverbett. Im Bild wird die Temperaturverteilung während des Auftrags einer neuen Pulverschicht dargestellt.

 

Bei strahlbasierten additiven Fertigungsverfahren erfolgt die Herstellung eines geometrisch komplexen Bauteils schichtweise aus einem pulverförmigen Ausgangswerkstoff. Der hohe Energieeintrag eines Elektronen- oder Laserstrahls führt dabei zu hohen Temperaturen und Temperaturgradienten im Prozess, die Eigenspannungen und Bauteilverzug zur Folge haben.

Das Ziel dieses Teilprojekts ist die Modellierung, Simulation und Optimierung strahlbasierter Fertigungsprozesse zur Reduktion dieser unerwünschten Effekte. Die Modellierung und Simulation der Prozesse erfolgt auf makroskopischer Ebene mittels kontinuumsmechanischer Ansätze – sowohl für metallische als auch für polymere Werkstoffe. Die Prozesssimulationen basieren auf einem mit der Finite-Elemente-Methode diskretisierten nichtlinearen thermo-mechanischen Modell. In diesem Modell werden die Charakteristiken der Strahlschmelzprozesse berücksichtigt, beispielsweise der schichtweise Aufbau des Bauteils, bewegte Wärmequellen, beliebige thermische Randbedingungen, stark temperaturabhängige Parameter und unterschiedliche Phasen des Materials (Pulver, Schmelze und Festkörper).

Das übergeordnete Ziel der zweiten Phase ist es, prädiktive Simulationen durchführen zu können. Dazu bedarf es einerseits der Verfeinerung und weiteren experimentelle Validierung der Materialmodelle und andererseits einer Steigerung der Effizienz der Algorithmen aus der 1. Phase, um Prozesssimulationen ganzer Bauteile für eine große Anzahl Parameterkombinationen zu ermöglichen. Aus diesem Grund liegt der Schwerpunkt der zweiten Phase auf der Entwicklung und Anwendung geeigneter Modellreduktionsverfahren, die auf der proper orthogonal decomposition basieren und eine erhebliche Einsparung von Rechenzeit ermöglichen. Dies wird dadurch erreicht, dass Testfälle ausgewählt werden, die die Charakteristiken der Prozesse möglichst umfassend abbilden. Diese Testfälle werden simuliert und aus ihren Lösungen wird mittels Singulärwertzerlegung eine optimale reduzierte Basis abgeleitet. Diese reduzierte Basis kann nun dazu eingesetzt werden, die Rechenzeit der Simulationen erheblich zu verkürzen und damit eine große Anzahl Prozesssimulationen mit geringfügigen Parameteränderungen durchzuführen. Dadurch wird wiederum die Prozessoptimierung, beispielsweise zur Reduktion der Eigenspannungen oder des Verzugs, ermöglicht.

Die thermo-elastischen und -elasto-plastischen Materialmodelle, die in der ersten Phase implementiert und verwendet wurden, waren dazu geeignet, prozessinduzierte Deformationen und Spannungsverteilungen qualitativ vorherzusagen. Um quantitative Aussagen treffen zu können, soll in der zweiten Bearbeitungsphase die Materialmodellierung für Kunststoffe um viskose Effekte und Anisotropie erweitert werden. Der für metallische Werkstoffe zu beobachtende Zusammenhang zwischen makroskopischem Materialverhalten und der Mesostruktur des Materials (Korngrößen und –orientierung) wird in Teilprojekt C5 modelliert und das abgeleitete makroskopische thermo-elasto-plastische Materialmodell wird von Teilprojekt C3 übernommen. Aufbauend auf den Simulationen für makroskopisch homogene Materialien sollen abschließend auch Prozesssimulationen für Multi-Materialien, d. h. gradierte Materialien und Verbundwerkstoffe, durchgeführt werden.

Professor Mergheim
Dominic Soldner


Prof. Dr.-Ing. Julia Mergheim
Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM)
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Egerlandstr. 5
91058 Erlangen
julia.mergheim@ltm.uni-erlangen.de

Dominic Soldner, M.Sc.
Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM)
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Egerlandstr. 5
91058 Erlangen
dominic.soldner@fau.de