Thermomechanical modelling and simulation of laser powder bed fusion processes

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt einen neuartigen mikromechanisch motivierten Rahmen zur Modellierung und Simulation von Laser-Pulver-Bett-Fusion (LPBF) Prozessen. LPBF Verfahren gehören zur additiven Fertigung, welche die schichtweise Herstellung von Bauteilen ermöglicht. (Metallische) Partikel einer Pulverschicht werden durch einen Laserstrahl selektiv geschmolzen, um ein Bauteil zu fertigen. Dadurch ergeben sich innovative Möglichkeiten hinsichtlich Design, Struktur, Materialkombinationen und maßgeschneiderten Teilen. Aufgrund des hohen Temperatureintrags treten komplexe thermische, mechanische und metallurgische Phänomene auf, darunter auch Phasenumwandlungen von Pulver über geschmolzenes zu wieder erstarrtem Material. Diese Hochtemperaturzyklen mit schnellem Aufheizen und Abkühlen verursachen verschiedene Defekte, wie zum Beispiel Hohlräume, Verzug und Eigenspannungen. Um die verschiedenen Fehler eines mit LPBF hergestellten Werkstücks besser vorhersagen zu können, sind neue Ansätze erforderlich. Der erste Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung eines physikalisch motivierten Materialmodells, das thermodynamisch konsistent ist und auf der Minimierung der freien Energiedichte basiert. Dieses Modell wird im kleinen Maßstab einer einzelnen Schmelzspur angewendet. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Multiskalen-Ansatz entwickelt, der das Phasentransformationsmodell mit der Methode der inhärenten Dehnung kombiniert, um ein vollständiges Teil simulieren zu können. Dieses stellt im Hinblick auf physikalische Genauigkeit und Rechenzeit einen vernünftigen Kompromiss dar. Hierfür wird ein vollständig thermomechanisch gekoppelter Framework verwendet, welcher mithilfe des kommerziellen Finite Elemente Programms Abaqus gelöst wird. Die Simulationen werden auf die α-β- Titanaluminiumlegierung Ti6Al4V angewendet, die je nach Abkühlgeschwindigkeit eine unterschiedliche Zusammensetzung der Mikrostruktur entwickelt. Daher wird im letzten Teil der Arbeit ein Festkörper-Phasentransformationsansatz mit einer neuartigen Dissipationsfunktion vorgestellt, um das entsprechende kontinuierliche Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild modellieren zu können. Das thermodynamisch und physikalisch fundierte Modell wird anschließend auf LPBFTemperaturprofile auf lokaler Ebene angewendet.

The present work deals with a novel micromechanically motivated framework for the modelling and simulation of laser powder bed fusion (LPBF) processes. LPBF processes belong to additive manufacturing (AM) which allows the layer-wise manufacturing of components. (Metallic) particles of a powder layer are selectively molten by a laser beam to construct a part. This opens up innovative possibilities in terms of design, structure, material combinations and custom-made parts. Due to the high temperature input, complex thermal, mechanical and metallurgical phenomena occur, including phase changes from powder to molten to re-solidified material. These high temperature cycles of rapid heating and cooling cause diverse defects such as voids, warpage and residual stresses. New approaches are necessary in order to better predict the various defects of a workpiece manufactured with LPBF. The first focus of this work is set on developing a physically well-motivated material model that is thermodynamically consistent based on the minimisation of the free energy density. This model is then applied to the small scale of a single melt track. Secondly, a multiscale approach is developed combining the phase transformation model with the inherent strain (IS) method to simulate a complete part. This represents a reasonable compromise in view of physical accuracy and computational time. For this purpose, a fully thermomechanically coupled framework is employed using the commercial finite element programme Abaqus. The material used for the simulations is the α- β titan aluminium alloy Ti6Al4V, which developes a different microstructure composition based on the cooling rate. Therefore, in the last part of the work, a solid-state phase transformation approach with a novel dissipation function is presented in order to be able to model the respective continuous cooling transformation diagram. The thermodynamically and physically sound model is then applied to LPBF temperature profiles at the local scale.