Fundamental mechanisms and modeling of microstructure evolution during beam and powder bed-based additive manufacturing

Third party funded individual grant


Start date : 06.06.2017

End date : 05.06.2020


Project details

Short description

Beam-based additive manufacturing (AM) of metals in a powder bed not only offers the opportunity to build complex, custom-made components of high-performance materials, but also to adjust the local material properties by proficient processing. The variation of solidification conditions enables the modification of microstructure length scales. Additionally, latest research results indicate, that also the texture of the components is adjustable during manufacturing. Therefore, entirely new perspectives are opened regarding optimization of light weight components, because not only the topology, but also the texture of the material is adjustable to the local loads on the component. In order to comprehend and control the texture evolution, the hydrodynamic non-equilibrium solidification process (grain growth, selection and nucleation) needs to be fundamentally understood. Experimental investigations show that especially the mechanisms of nucleation under the extreme conditions of AM are insufficiently resolved and are not reproduced by classical models.The aim of this proposal is to identify, to fundamentally understand and to physically model the microstructure evolution, especially the nucleation under the special solidification. This model should be implemented in existing software, which is developed at our chair. Modeling and verification are experimentally substantiated basing on additively manufactured samples of IN718. At the end of the project the model should predict the solidification structure, grain structure and texture evolution during beam and powder bed-based AM.The project draws on our software for simulating the consolidation process during beam and powder bed-based AM. The software contains a lattice Boltzmann method to describe the hydro- and thermodynamics during melting and solidification. This method s coupled to a cellular automaton modeling the grain structure evolution during solidification neglecting currently grain nucleation. Our new theoretical ansatz contains besides the temperature gradient and the solidification front velocity for the first time additional information about the texture of the previous layers (orientation, spacing of cells/dendrites, segregation) and the local composition of the melt at the interface to the currently processed layer. It should be investigated, how orientation changes at the solidification front in combination with the present segregations in the rapidly melted material (memory of melt) induce grain nucleation by local undercooling. These findings are mathematically utilized for a grain nucleation model.

Scientific Abstract

Die strahlbasierte additive Fertigung (AF) von Metallen im Pulverbett bietet nicht nur die Möglichkeit, komplexe, individualisierte Bauteile aus Hochleistungswerkstoffen herzustellen, sondern eröffnet darüber hinaus auch das Potenzial, die lokalen Materialeigenschaften durch geschickte Prozessführung einzustellen. Durch Variation der Erstarrungsbedingungen ist es möglich, die Größenskala der Mikrostruktur zu verändern. Darüber hinaus deuten aktuelle Forschungsergebnisse darauf hin, dass auch die Textur des Bauteils durch die Prozessführung einstellbar ist. Dadurch eröffnen sich ganz neue Perspektiven hinsichtlich der Optimierung von Leichtbauteilen, da nicht nur die Topologie, sondern auch die Textur des Materials lokal den Lasten angepasst werden könnte. Um diese Texturausbildung zu verstehen und gezielt zu beeinflussen, muss der hochdynamische Nichtgleichgewichts-Erstarrungsprozess (Kornwachstum, Kornselektion und Keimbildung) grundlegend verstanden werden. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass vor allen Dingen die Mechanismen der Keimbildung für die extremen Bedingungen der AF unzureichend geklärt sind und mit klassischen Modellen nicht abgebildet werden können.Ziel dieses Antrages ist es, die Mechanismen der Mikrostrukturausbildung, insbesondere der Keimbildung unter den speziellen Erstarrungsbedingungen, zu identifizieren, grundlegend zu verstehen und physikalisch zu modellieren. Dieses Modell soll in eine bereits bestehende, an unserem Lehrstuhl entwickelte Software integriert werden. Die Erstellung und Verifikation des Modells erfolgt experimentell, anhand von additiv gefertigten IN718 Proben. Am Projektende soll ein Modell vorliegen, welches die numerische Vorhersage der Erstarrungsstruktur, Kornstruktur und Texturentwicklung bei der strahlbasierten AF im Pulverbett erlaubt.Das Projekt erweitert die von uns entwickelte Software zur Simulation der Konsolidierung bei strahlbasierter AF im Pulverbett. Die Software beinhaltet eine Lattice Boltzmann Methode zur Abbildung der Hydro- und Thermodynamik während des Schmelzens und Erstarrens. An diese Methode ist ein zellularer Automat gekoppelt, der die Ausbildung der Kornstruktur während des Erstarrens modelliert, ohne bisherige Berücksichtigung der Keimbildung. Der hier von uns verfolgte neue theoretische Ansatz besteht darin, neben dem Temperaturgradienten und der Erstarrungsgeschwindigkeit an der Erstarrungsfront, erstmals auch Information über das in der vorhergehenden Schicht erzeugte Gefüge (Orientierung, Abstand der Zellen/Dendriten, Segregationen) und die lokale Zusammensetzung der Schmelze direkt an der Grenzfläche zur neu entstehenden Schicht zu berücksichtigen. Es soll untersucht werden, wie Richtungswechsel der Erstarrungsfront in Kombination mit vorliegenden Segregationen im rasch erschmolzenen Material (Gedächtnis der Schmelze) durch lokale Unterkühlung Keimbildung induzieren können. Diese Erkenntnisse werden dann mathematisch im Modell für die Keimbildung umgesetzt.

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