Charakterisierung von technischen Pulvern zur skalenübergreifenden Modellierung von Partikelprozessen am Beispiel der metallisch additiven Fertigung
Bei pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren gibt es eine Vielzahl an Prozessschritten, in denen feine metallische Pulver aufbereitet oder verarbeitet werden. Die Eigenschaften dieser Pulver werden bislang nur selten und überwiegend phänomenologisch betrachtet. Es besteht großes Potential zur Effizienzsteigerung und Kostenreduktion bei der pulverbettbasierten Additiven Fertigung. Hier können Simulationen helfen, den Einfluss der Pulvereigenschaften besser zu verstehen. Die Diskrete Elemente Methode (DEM) ist ein numerisches Verfahren zur Simulation von Partikelsystemen. Sie bietet u.a. die Möglichkeit, lose Schüttgüter in Form von Granulaten und Pulvern effizient und physikalisch korrekt zu simulieren. Bisher gibt es jedoch weder ein geeignetes Simulationsmodell zur Abbildung großer Mengen Pulver noch eine Methode zur wirtschaftlichen Charakterisierung.
Ziel des Projektes ist die grundlagenorientierte Entwicklung einer effizienten und an die Skala der Problemstellung angepassten Modellierung sowie einer Methodik zur Charakterisierung von feinen Metallpulvern für das pulverbettbasierte Schmelzen (engl. Powder Bed Fusion – Laser Beam, PBF-LB).
Dazu werden die Eigenschaften von zwei 316L Edelstahl-Pulvern mit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung genau charakterisiert und ein mikroskaliges Pulvermodell für die DEM aufgebaut. Auf Basis des Mikromodells wird anschließend ein Makromodell mit äquivalentem Verhalten über ein Grain Coarsening Ansatz abgeleitet. Zudem werden die zur Charakterisierung der Pulvereigenschaften notwendigen Experimente systematisch reduziert, um eine Methode mit minimalem Versuchsaufwand zu entwickeln. Die Modelle werden anhand eines Pulverauftragsprozesses validiert. Abschließend wird die Methode zur Charakterisierung und das aufgebaute multiskalige Simulationsmodell auf eine Aluminiumbasislegierung übertragen, um eine Generalisierbarkeit zu demonstrieren.