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Mathematical Modelling of Weld Phenomena 12, MM 12

This paper focuses on a study of temperature effects on tensile properties of a polyamide 12 based polymer. Specimens for testing were generated using the additive manufacturing process of laser sintering. Tensile tests were conducted according to DIN EN ISO 527 at temperatures between 20 °C and 140 °C. A Zwick 250N5A was used for the tests. Fine strain up to 0.25 % was measured using a MTS biaxial extensometer. Crosshead displacement was recorded as well and used for generation of stress-strain curves. Within the paper, Young's modulus, Poisson ratio, tensile strength, tensile strain at tensile strength, stress and elongation at break and yielding are reported. The study showed that all analyzed mechanical properties depend significantly on temperature. Above 100 °C strain raised up to 100 %, however, it was limited by the traveling limit of the machine. The collected data were embedded in a table-driven elastic plastic material model for finite element simulation of tensile tests. Good agreements of simulations and experiments were obtained at all temperatures.

Physikalisch bedingte Limitierungen schränken im selektiven Laserschmelzen die wählbaren Prozessparameter bei der konventionellen Einzelstrahlbelichtung ein und verhindern eine weitere Erhöhung der Produktivität. Die Anwendung der Multistrahlbelichtung ermöglicht durch ihren hohen Freiheitsgrad einen flexiblen Leistungseintrag und stellt so eine vielversprechende Alternative zur Einzelstrahlbelichtung dar. Das Verständnis der physikalischen Grundlagen der Multistrahlbelichtung beim selektiven Laserschmelzen ist für die Erweiterung der Prozessgrenzen in Richtung höherer Bauraten notwendig. Es wurde eine experimentelle und simulative Prozessumgebung entwickelt, die die Untersuchung der Multistrahlbelichtung im selektiven Laserschmelzen ermöglicht. Durch den flexiblen Leistungseintrag mit mehreren Laserstrahlen verlieren die bisherigen Prozesslimitierungen an Gültigkeit. Mit einem analytischen Temperaturmodell wurde die optimale Laserstrahlverteilung auf Basis der Wärmeleitung ermittelt, sodass generierte Schmelzbäder eine breite und flache Kontur aufweisen. Das entwickelte analytische Modell wurde erfolgreich zum Aufbau des grundlegenden Prozessverständnisses verwendet. So zeigen Modell und Experiment, dass die Laserstrahlen senkrecht zur Scanrichtung in einem parameterabhängigen Abstand zueinander anzuordnen sind, um einen stabilen Prozess mit hohem Produktivitätslevel zu erreichen. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden unterschiedliche Strategien der Multistrahlbelichtung auf ihren Einfluss auf die Schmelzbadbildung untersucht. Darüber hinaus wurden quaderförmige Probekörper mit der Einzel- und Multistrahlbelichtung generiert und auf ihre Produktivität, Dichte und Oberflächenbeschaffenheit hin bewertet. Mit einem koaxialen Prozessüberwachungssystem konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass durch die Multistrahlbelichtung weniger Spritzer entstehen und eine höhere Prozessstabilität vorliegt. Anhand der Untersuchungen wird belegt, dass mit der Multistrahlbelichtung Bauteile hoher Dichte und erhöhter Produktivität aufgebaut werden können. Darüber hinaus wurde mit der experimentellen Prozessumgebung gezeigt, dass die Limitierungen der Einzelstrahlbelichtung bei stabilen Prozessbedingungen überwunden werden. Diese Arbeit zeigt die physikalischen Wechselwirkungen der Multistrahlbelichtung auf, mit der bisherige Limitierungen in der Parameterwahl überwunden werden. Durch die Generierung breiter und flacher Schmelzbäder sind höhere Energieeinträge möglich, sodass eine Aufbauratensteigerung unter stabilen Prozessbedingungen realisiert wird.

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.

This work deals with the simulation-based development and implementation of an energy-efficient variant for the production and curing of fiber-reinforced plastics using a novel nanoparticle-based 3D tool tempering system. The current production process of CFRP components in the autoclave was analyzed with temperature measurements and flow simulations and various possibilities are presented to increase the efficiency by a conformal heating of the mold and reducing thermal masses respectively the overall heat capacity. Functional heated tool demonstrators, including electronic control technology, were designed and produced, as well as a process chain for the automated production or conversion of molds is shown. CFRP components were cured as a function test of the tool and the new process options were analyzed. In addition to the experimental heating system development, various process simulations on micro and macro scale were carried out. This work presents methods to support the different process steps from autoclave curing or curing with heated tools (composite curing with the finite element method), the definition of design parameters of the carbon nanotube reinforced heating system (electrical conductivity of nanocomposites) and the automated application onto the tool surface. The energy efficiency has been calculated for various processes (inside and out-of-autoclave) and it is shown that the energy consumption can be drastically reduced by the use of conformal heated tools. Finally, the developed 3D tool tempering system and the automated production were tested for a broader implementation and a profitability analysis was prepared.

In the laser beam melting process, one key aspect to achieve parts of high quality and dimensional accuracy is to ensure thermal stability throughout the build-up process. Compared to the consolidated material, the powder has thermally insulating properties. Thus, the desired quality can only be reached if the heat input takes into account the amount of powder in the vicinity of each point to be melted. This requirement is not properly considered by most of the available systems. They usually keep the laser power and scan rate constant or perform only basic adaptations. In overhanging regions, heat accumulates from track to track causing sintering effects, enlarged weld pools, and other overheating effects, making them particularly prone to defects. This leads to low dimensional accuracy, porosity, and also process abortion. Motivated by these problems, this work presents a method for an automatized and localized thermal management of the process with the aim to improve the dimensional accuracy of powder-sided surfaces. For this purpose, the local thermodynamics have been analyzed, and an adaptation theory developed regarding where, when, and how to deal with overheating through adjustment of the process parameters. These measures have been successfully demonstrated in finite element simulations. On the basis of these theoretical findings, a convergent and efficient algorithm has been developed that analyzes the local geometry and topology of the part. It identifies critical structures to create a enhanced pre-processing method with adapted exposure information. After having established an interface to the machines, the methods have been evaluated and validated experimentally. The experiments conducted with stainless steel 1.4404 as the powder material have shown significant improvement of the dimensional accuracy: the deviations from the desired shape have been reduced by up to 61% down to Standard melt pool depth without affecting the part density. The experimental studies in this work were focused on the adaptation of the energy input, but the pre-processing can be extended by further adaptation methods such as, for example, introduction of delay times between the scan tracks or adjustment of the scanning order. These are necessary to build up larger overhanging areas. However, a challenge that then arises is the susceptibility due to lower stiffness of the initial layers over the powder to thermally induced deformations. This needs to be overcome in parallel in order to extend the process limits.