HyPo – Modellierung des Laserauftragschweißprozesses unter Berücksichtigung der resultierenden Eigenschaften hybrider poröser Strukturen

Additive Fertigungsverfahren wie das Laserauftragschweißen (L-DED) bieten die Möglichkeit, Bauteile mit lokal angepassten Eigenschaften herzustellen. Besonders hybride poröse Strukturen (HyPo) eröffnen neue Potenziale für Leichtbau, Energieabsorption und Funktionalisierung. Die Wechselwirkungen zwischen Prozessparametern, Porenbildung und Materialeigenschaften sind jedoch komplex und bisher nicht vollständig verstanden. Experimentelle Untersuchungen sind zeit- und kostenintensiv, weshalb ein digitaler Ansatz zur Prozessplanung und -optimierung wünschenswert ist. Bisher ist eine Analyse von Prozess, Struktur und Eigenschaften für ein Bauteil nicht möglich, da eine ganzheitliche Prozessmodellierung fehlt. Somit ist bis heute auch keine gezielte Auslegung unter Berücksichtigung eines solchen Prozessmodells möglich.

Zielsetzung 

Das Ziel von HyPo ist die Entwicklung einer physikalisch basierten, mehrskaligen Modellierungsmethode für den L-DED-Prozess. Auf Mikroebene werden Energieeintrag, Schmelzbadbildung und Erstarrung abgebildet. Diese Ergebnisse fließen auf Merkmalsebene in die Berechnung von Eigenspannungen und Temperaturfeldern ein. Auf Bauteilebene werden daraus virtuelle Materialmodelle abgeleitet, um prozessabhängige Eigenschaftsverteilungen aus der Simulation abzuleiten. Das Projekt ermöglicht damit eine simulationsgestützte Prozessauslegung hybrider poröser Strukturen und eine zielgerichtete Eigenschaftssteuerung.

Vorteile

• Prozessverständnis – Vorhersage von Spannungen und Porosität
• Qualität – gezielte Eigenschaftseinstellung
• Effizienz – weniger Versuchsaufwand durch Simulation
• Innovation – neue Designfreiheiten für Funktionsbauteile

Vorgehen

Zur Zielerreichung wird eine mehrskalige Simulationskette aufgebaut, worin Mikro-, Merkmal- und Bauteilebene gekoppelt werden. Experimentelle Analysen liefern Daten zu Schmelzbadgröße, Temperaturfeldern und Porenbildung; diese fließen in die numerischen Modelle ein und werden durch Validierungsversuche abgesichert. Dabei hilft die enge Vernetzung der Teilprojekte, um mit dem Modell möglichst viele Bauteileigenschaften zu beschreiben und abzubilden. Die Ergebnisse werden auf die Bauteilebene übertragen, um Eigenschaftsverteilungen und Prozessgrenzen zu prognostizieren. Das Modell ermöglicht anderen Teilprojekten des transregionalen Sonderforschungsbereichs eine simulationsgestützte Prozessoptimierung.

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