Additive Fertigung ist ein neuartiges, vielversprechendes Produktionsverfahren von 3D-Bauteilen.
Ausgehend von einem digitalen 3D-Modell werden hochkomplexe, leichtgewichtige Geometrien
schichtweise hergestellt. Für Metallbauteile hat sich dabei insbesondere das selektive Laserschmelzen
(SLM) als attraktiv herausgestellt. Innerhalb einer Schutzgasatmosphäre wird ein dünnes
Metallpulverbett auf einer Grundplatte aufgetragen. Darin scannen gebündelte Laserstrahlen
anschließend die Konturen der finalen Geometrie, wobei die Pulverpartikel durch den Wärmeeintrag
geschmolzen werden und ein Schmelzbad entsteht. Nach dem Scan einer Pulverlage erstarrt das noch
flüssige Metall und fusioniert mit den darunterliegenden Schichten. Die Grundplatte wird um die
Schichtdicke gesenkt und der Prozess wird wiederholt, bis das Bauteil fertig ist.
Da das SLM-Verfahren noch recht jung ist, sind die zugrundeliegenden physikalischen Phänomene
noch nicht vollständig untersucht. Somit ist der Zusammenhang zwischen den Prozessparametern und
der Bauteilqualität nur unzureichend verstanden. Gegenüber herkömmlichen Technologien ermöglicht
die zyklische thermische Prozessgeschichte zwar eine Verbesserung der Materialeigenschaften.
Gleichzeitig birgt diese erhöhte Komplexität, wie unvollständig geschmolzene Pulverpartikel, durch
Verdampfung entstandene Poren oder verzogene Geometrien, welche zu unzureichenden mechanischen
Eigenschaften des Bauteils führen. Die Ermittlung optimaler Prozesseinstellungen ist daher für die
Fertigung strukturell einwandfreier Bauteile unerlässlich. Experimentell ist diese sehr aufwendig, da
für jedes Bauteil individuell die Prozessparameter durch Versuch und Irrtum neu bestimmt werden
müssen. Daher besteht ein enormer Bedarf an präzisen computergestützten Berechnungsmodellen, die
eine digitale Prognose der finalen Bauteilqualität anhand der Prozessparameter ermöglichen.
Ziel des Projektes ist es, ein computergestütztes Berechnungsmodell zu entwickeln, das die genaue
Beschreibung der physikalischen Prozesse im Schmelzbadbereich, d.h. Bildung des Schmelzbades,
Wechselwirkung der flüssigen und dampfförmigen Metallphase sowie des Schutzgases, welche
maßgeblich die finale Bauteilqualität beeinflussen, ermöglicht. Die zugrundeliegende hohe Dynamik
der Prozesse (Zeitskala Mikrosekunde) erfordert robuste und effiziente, neuartige
Berechnungsverfahren, um praktisch relevante Längen- und Zeitskalen abzubilden. Die extremen
Unterschiede in den Materialeigenschaften an den Phasengrenzen (Dichteverhältnis Metallschmelze zu
-dampf ~10000) werden mit der Phasenfeldmethode erfasst. Kombiniert mit der DG-FEM-Methode,
ein neuartiges, hochleistungsfähiges numerisches Verfahren, soll somit ein realitätsnahes
Berechnungsmodell erstellt werden. Dieses soll ein Schlüsselmodell für das mittelfristige Ziel einer
ganzheitlichen, simulationsbasierten Prognose des SLM-Prozesses bilden, um die gesamte Prozesskette
von der Pulverbeschickung bis zu den finalen Bauteileigenschaften digital abzubilden.