Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Simulationsbasierte Vorhersage des Kornwachstums für laserstrahlgeschmolzene Bauteile aus Titanlegierungen (SimKorn)

Das Vorhaben „SimKorn“ zielt auf die Entwicklung eines Simulationsmodells zur Vorhersage der mittlere Korngröße in laserstrahlgeschmolzenen Bauteilen aus Ti-6Al-4V ab.

Die Vorhersage stützt sich auf zwei thermische Simulationsansätze, die im Rahmen des Projekts weiterentwickelt und verknüpft werden sollen. Zum einen für den Fertigungsprozess, um die Temperaturverläufe im Bauteil zu erhalten, und zum anderen für die Kornstruktur, um anhand der Temperaturverläufe auf die Ausbildung der Kornstruktur zu schließen. Für die experimentelle Kalibrierung und Validierung des Simulationsmodells sind die Durchführungen des Herstellungsprozesses und eine anschließende Analyse zwingend notwendig.

Als Ergebnis wird dabei die Übereinstimmung von Simulation und Experiment quantifiziert durch die mittlere Korngröße für einen Quader angestrebt. Über diese Kalibrierungsgeometrie hinaus ist die simulationsbasierte Vorhersage einer kmU-relevanten Geometrie geplant. Diese wird zusammen mit dem PbA definiert und, für eine breite Verifikation, von Teilen des Ausschusses ebenfalls aufgebaut.

Die Entwicklung des beschriebenen Simulationsansatzes bietet kmU die Möglichkeit ihren Herstellungsprozess zu optimieren. Insbesondere bei zunehmender Bauteilhöhe spart die simulationsbasierte Kenntnis der Kornstruktur Kosten bei der Wärmenachbehandlung im Bereich 100-1000€. Weiterhin können die gewonnenen Erkenntnisse zur Temperaturführung direkt genutzt werden um beispielsweise eine Vorgabe eines maximalen oder optimalen Belichtungsanteils pro Pulverschicht zu bestimmen. Dadurch kann der Gesamtfertigungsprozess mit weniger Iterationen

durchgeführt werden und die kosten- und zeitintensive Herstellung von qualitativ minderwertigen Probebauteilen wird vermindert oder entfällt idealerweise ganz. Langfristig wird es möglich sein das Simulationsmodell an weitere Werkstoffe (wie Stahl) oder Prozessarten (wie EBM oder Lichtbogendrahtverfahren) anzupassen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben wurde die Mikrostrukturentstehung von über den L-PBF-Prozess gefertigten Bauteilen aus dem Werkstoff Ti-6Al-4V umfassend untersucht. Hierbei stand die Entwicklung eines Simulationsmodells im Vordergrund. Hierfür war es notwendig, die thermische Historie eines Bauteils, die sowohl die Abmaße als auch die Probengeometrie beinhaltet, zu berücksichtigen. Auf Basis der Temperaturdaten konnte die Mikrostruktur im mesoskopischen Bereich simulativ ermittelt werden, die dann im nächsten Schritt auf die makroskopische Struktur übertragen werden konnten. Dieses zweistufige Vorgehen hat den entscheidenden Vorteil, die erforderlichen Berechnungszeiten signifikant zu verringern.

Zur Erstellung und Erweiterung des beschriebenen Modells wurden experimentell ermittelte Temperaturdaten, als auch durch metallographisch ermittelte Schmelzbadgrößen implementiert.

Zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit bzw. Aussagekraft des Modells wurden die Einflussgrößen der Energiedichte, der Geometrieabhängigkeit und der Belichtungsstrategie und deren Einfluss auf die Mikrostruktur untersucht.

Als Ergebnis ist festzuhalten, dass in den beschriebenen Untersuchungen nur eine geringe Abhängigkeit der Geometrie von Bauteilen zu verzeichnen ist. Hierbei sind die resultierenden, im Bauteil verbleibenden Temperaturen nach dem Belichtungsprozess zu gering, um so zu einer Änderung bzw. Vergröberung der entstehenden Körner effektiv beizutragen.

Vielmehr konnte erarbeitet werden, dass sowohl die Energiedichte als auch die Hatchingstrategie einen Beitrag zur Mikrostrukturentstehung beitragt. Sowohl die Größe, als auch die Ausrichtung der Körner im Bauteil weisen hierbei signifikante Unterschiede. Auf Basis dieser Erkenntnisse kann in weiteren Untersuchungen der Einfluss auf wichtige Bauteileigenschaften erarbeitet werden. Hierzu zählen der Einfluss auf die Anisotropie, die mechanischen Eigenschaften und das resultierende Eigenschaftsprofil nach der durchgeführten Wärmebehandlung.