Simulationsbasierte thermische Analyse zur Anpassung der Hatching-Strategie beim selektiven Laserstrahlschmelzen

Abstract

Beim selektiven Laserschmelzen wird ein Metallteil hergestellt, indem es schichtweise und Spur für Spur selektiv aus einem Pulverbett aufgeschmolzen wird. Dies ermöglicht theoretisch eine uneingeschränkte Freiheit im Bauteildesign. Aufgrund der kontinuierlichen Erwärmung des Bauteils über die Schmelztemperatur und der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Pulverbetts werden jedoch unkontrollierbare thermische Randbedingungen erzeugt. Dies führt zu geometrieabhängigen Bauteilqualitäten bzw. strengen Vorschriften für die Bauteilkonstruktion oder den Bedarf von Stützstrukturen zur Verbesserung der Wärmeableitung und Stabilität in kritischen Bereichen. Diese Arbeit zielt auf eine simulationsbasierte thermische Analyse des selektiven Laserstrahlschmelzens zur Anpassung von Hatching-Strategien zur Verbesserung der Maßgenauigkeit und der Oberflächenqualität in stützenfreien kritischen Bereichen ab. Zu diesem Zweck werden zwei numerische Modelle entwickelt. Das erste Modell befasst sich mit der mesoskopischen Skala, um geometrische und prozessbedingte Einflüsse auf das Schmelzbadverhalten zu untersuchen. Dieses Modell wurde anhand experimenteller Querschnitte kalibriert und dient auch zur Identifizierung und Validierung von Optimierungsansätzen. Das zweite Simulationsmodell befasst sich mit dem makroskopischen Temperaturfeld auf Bauteileebene. Zur Validierung der simulierten Temperaturverläufe wurden experimentelle in-situ Messungen durchgeführt. Zusätzlich werden die makroskopischen Abkühlraten untersucht. Die Erkenntnisse auf der mesoskopischen Skala konnten durch die simulierten Abkühlraten mit den Bauteilen verknüpft werden. Der lokale Energieeintrag, die Ausrichtung und die Reihenfolge der Hatches wird in verschiedenen Hatching-Strategien basierend auf den Simulationsergebnissen angepasst. Der Einfluss auf die Maßhaltigkeit wird experimentell untersucht, indem Proben aus Ti-6Al-4V hergestellt werden. Es zeigte sich, dass die lokale Anpassung des Energieeintrags nicht zu einer besseren Maßhaltigkeit führte. Durch die Anpassung der Reihenfolge und Ausrichtung der Hatches anhand der thermischen Simulation konnten Überhangwinkel von bis zu 15° aufgebaut werden. Die Ergebnisse konnten auch auf ein komplexes Bauteil aus 1.4404 Stahl übertragen werden, das Überhangwinkel von bis zu 24° enthielt.