Mesoscopic simulation of the selective beam melting process (SFB 814 (B04))
Third Party Funds Group - Sub project
Acronym: SFB 814 (B04)
Start date : 01.07.2011
End date : 30.06.2019
Website: http://www.sfb814.forschung.uni-erlangen.de/
Overall project details
Overall project
SFB 814: Additive Fertigung
Overall project speaker:
Project details
Short description
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The basic mechanisms that are essential in the powder based selective beam melting process are poorly understood. Most of the existing analytical and numerical models describing the process of consolidation in a homogenized image, i.e. individual powder particles are not resolved. This approach is suitable for information on averages, but cannot capture the local influence of the powder, i.e. the powder size distribution, the stochastic effect of the powder bed, the wetting of the powder by the melt and the formation of the melt. The actual selective melting process and thereby acting mechanisms can only be understood on the scale of the powder particles, with the help of numerical simulation on the mesoscopic scale. The aim of this project is to provide a numerical tool for mesoscopic simulation of selective beam melting and to use it to develop innovative process strategies. The mesoscopic scale allows the prediction of defects, surface quality and accuracy of the structure for different materials as a function of material parameters (powder form, bulk density, ...) and the process parameters (beam shape, energy per unit length, speed, ...).
In the first phase, a tool for the 2D simulation of selective electron beam melting was developed and validated with experimental results. The main task was the modeling of the entire build process with its different time scales (pre-heating, melting, applying new powder layer). Among other things, the complex coupling of the beam in the powder bed, radiation losses at the surface, mass and energy loss through evaporation and the deformation of the molten bath by the evaporation pressure is taken into account. The software is now able to simulate assembly processes, taking into account different scanning strategies on many layers. Such process strategies as the remelt strategy and the refill strategy are investigated. The verification of the numerical results is done in close cooperation with subproject B2.
In the second phase, the previous model is transferred to polymers. For this purpose, the absorption of the laser beam in the partially transparent stochastic powder bed and the highly viscous, viscoelastic material behavior must be described. Development and verification of the model is carried out in cooperation with subproject B3. In a further step, a method of 3D simulation of the grain structure in the selective beam melting of metals is implemented, in order to predict the texture of the materials as a function of process strategy.
Scientific Abstract
Die grundlegenden Mechanismen, die beim Pulverschmelzen und der Werkstoffverdichtung im selektiven Strahlschmelzprozess wesentlich sind, sind bisher wenig verstanden. Der Großteil der in der Literatur vorhandenen analytischen und numerischen Modelle beschreibt den Konsolidierungsprozess in einem homogenisierten Bild, d. h. einzelne Pulverpartikel werden nicht aufgelöst. Dieses Vorgehen gibt zwar Auskunft über Mittelwerte, kann aber den lokalen Einfluss des Pulvers nicht erfassen, wie z. B. die Pulvergrößenverteilung, den stochastischen Effekt der Pulverschüttung, die Benetzung des Pulvers durch die Schmelze und die Ausbildung des Schmelzbads. Der eigentliche selektive Schmelzprozess und die dabei wirkenden Mechanismen können nur mit Hilfe der numerischen Simulation auf mesoskopischer Skala, d. h. auf der Skala der Pulverpartikel, verstanden werden. Ziel dieses Projektes ist es, ein numerisches Werkzeug zur mesoskopischen Simulation des selektiven Strahlschmelzens zu schaffen und zur Entwicklung von innovativen Prozessstrategien zu nutzen. Die mesoskopische Skala gestattet die Vorhersage von Defekten, der Oberflächengüte und der Strukturgenauigkeit für verschiedene Werkstoffe als Funktion der Materialparameter (Pulverform, Schüttdichte, ...) und der Prozessparameter (Strahlform, Streckenenergie, Geschwindigkeit, ...).
In der ersten Phase wurde ein Programm zur 2D-Simulation des selektiven Elektronenstrahlschmelzens entwickelt und anhand experimenteller Ergebnisse validiert. Die Hauptaufgabe bestand in der Abbildung des gesamten Aufbauprozesses, da dieser von unterschiedlichen Zeitskalen (Vorheizen, Schmelzen, Auftrag der Pulverschicht) geprägt wird. Dabei wird, unter anderem, die komplexe Einkopplung des Strahles in das Pulver, Strahlungsverluste an der Oberfläche, Masse- und Energieverlust durch Verdampfung und die Deformation des Schmelzbads durch den Verdampfungsdruck berücksichtigt. Das Programm ist nun in der Lage, Aufbauprozesse unter Berücksichtigung unterschiedlicher Scanstrategien über viele Schichten zu simulieren. So konnten unterschiedliche Prozessstrategien, wie z. B. die Remelt-Strategie, die Refill-Strategie, untersucht werden. Die Verifikation der numerischen Resultate erfolgt in enger Zusammenarbeit mit TP B2.
In der zweiten Phase soll zum einen, um auch das Laserschmelzen von Polymeren simulieren zu können, das bisherige Modell auf Polymere übertragen und implementiert werden. Dazu muss die Absorption des Laserstrahls im teilweise transparenten stochastischen Pulverbett sowie das hochviskose, viskoelastische Materialverhalten beschrieben werden. Die Erarbeitung und Verifikation des Modells erfolgt in Zusammenarbeit mit Teilprojekt TP B3. In einem weiteren Schritt wird eine Methode zur 3D-Simulation der Kornstruktur beim selektiven Strahlschmelzen von Metallen implementiert, um die Textur der Werkstoffe als Funktion der Prozessstrategie vorhersagen zu können.
Involved:
Contributing FAU Organisations:
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Werkstoffkunde und Technologie der Metalle)
Sonderforschungsbereich 814/3 Additive Fertigung
