Synergetisch experimentell-numerische Methodik zur ganzheitlichen Analyse des energetischen Systems Laser-Strahlschmelzen
Das verbreitetste Verfahren zur additiven Herstellung von Metallbauteilen ist das pulverbettbasierte Schmelzen von Metallen mittels Laserstrahl (PBF-LB/M). Es ermöglicht den Aufbau komplexer und funktionaler Geometrien mit serientauglichen mechanisch-technologischen Eigenschaften.
Für die wissensbasierte Steigerung des technologischen Reifegrads und eine prozessgerechte Materialentwicklung ist die genaue Kenntnis der transienten Temperaturhistorie sowie deren zugrunde liegender Entstehungsmechanismen ein zentraler Schlüsselbaustein. In-situ-Messverfahren sind aufgrund der Unzugänglichkeit durch das Pulverbett eingeschränkt. Durch eine häufig fehlende Datengrundlage basieren Simulationsmodelle oft auf simpler Kalibrierung und können nur unzureichend validiert werden.
In der hier vorgestellten wissenschaftlichen Arbeit wird daher eine neue Methodik zur Analyse des inhärenten energetischen Systems präsentiert. Es wird ein synergetischer Ansatz aus etablierten und neuen In-situ-Messmethoden sowie Simulationsmodellen eingesetzt. Dieser wird genutzt, um den Einfluss von Prozessparametern auf die Wärmeströme sowie die resultierende thermische Historie zu quantifizieren. Abschließend werden die Mehrwerte der Methodik am Beispiel diamantverstärkter Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (DMMC) demonstriert.
Die Ergebnisse zeigen, dass Prozessparameter wie der Abstand der Laserbahnen oder Vorheiztemperaturen skalenabhängige Effekte auf den Temperaturverlauf haben. Außerdem wird am Anwendungsbeispiel demonstriert, wie dieses Prozessverständnis in praktische Mehrwerte in Kombination mit klassisch empirischen Ansätzen umgewandelt werden kann. Es stellt sich heraus, dass insbesondere die Vorheiztemperatur und der Spurabstand in Kombination mit einer Titanbeschichtung entscheidende Faktoren für eine stabile Verarbeitung von DMMC im PBF-LB/M-Prozess sind.
The most widespread method for additively manufacturing metal components is powder bed fusion of metals using a laser beam (PBF-LB/M). It enables the construction of complex and functional geometries with mechanical properties that meet the requirements for industrial applications.
Precise knowledge of the transient thermal history and its underlying origins are key components for knowledge-based advancement of technological maturity and process-oriented material development. In-situ measurement methods are restricted due to the inaccessibility through the powder bed. Due to a lack of data, simulations often rely on simple calibration and can only be validated insufficiently.
In the scientific work presented, a new methodology for analyzing the inherent energetic system is introduced. A synergetic approach utilizing established and new in-situ measurement methods as well as numerical models is employed. It is used to quantify the influence of process parameters on heat flows and the resulting thermal history. Finally, the added value of the methodology is demonstrated using the example of diamond-reinforced metal matrix composites (DMMC).
The results show that process parameters such as the distance between laser tracks or preheating temperatures have scale-dependent effects on the temperature profile. Furthermore, the application example demonstrates how this process understanding can be converted into added practical values in combination with conventional empirical approaches. It turns out that preheating temperature and track spacing, in combination with a titanium coating, are crucial factors for the stable processing of DMMC using PBF-LB/M.