Simulation of Evaporation Phenomena in Selective Electron Beam Melting

Selektives Elektronenstrahlschmelzen (engl. Selective Electron Beam Melting, SEBM) ist ein generatives Fertigungsverfahren zur Herstellung metallischer Bauteile aus dem Pulverbett mittels fokussierten Elektronenstrahls. Die Technologie steckt hinsichtlich ihrer industriellen Anwendung noch in den Anfängen, was zum Teil dem unvollständigen Verständnis der physikalischen Mechanismen geschuldet ist, die beim lokalen Aufheizen und Schmelzen des Pulvers vorherrschen. In der vorliegenden Arbeit wird der SEBM-Prozess mithilfe numerischer Simulation untersucht. Die verwendete numerische Methode basiert auf dem Lattice-Boltzmann-Verfahren und ist in der Lage, strömungsmechanische und thermodynamische Vorgänge gekoppelt zu simulieren - unter Einbeziehung freier Oberflächen und eines fest-flüssig Phasenübergangs. Das Modell ermöglicht zudem die Betrachtung eines Pulverbetts auf mesoskopischer Skala, d.h. unter Auflösung einzelner Pulverkörner. Der Beitrag dieser Arbeit zum Themenkomplex des Elektronenstrahlschmelzens umfasst die Modellierung der Elektronenstrahlabsorption und der Mehrkomponentenverdampfung. Das experimentelle Vorgehen zur Validierung des Gesamtmodells reicht von Einzelspurversuchen in kompakten Proben bis hin zu schichtweise generierten Bauteilen. Die dabei verwendeten Materialien sind Reinaluminium, Reintitan sowie die Titanlegierungen Ti-6Al-4V und Ti-48Al-2Cr-2Nb. Der abschließende Teil dieser Dissertation behandelt ausgewählte Anwendungsbeispiele für das numerische Modell. Darunter fällt die verdampfungsbedingte Veränderung der Legierungszusammensetzung in Bauteilen aus Ti-48Al-2Cr-2Nb¿Pulver. Diese wird in Abhängigkeit gängiger Prozessparameter der Elektronenstrahlanlage untersucht. Die Prozesseinstellungen werden zusätzlich im Hinblick auf Restporosität bewertet. Die Ergebnisse deuten unter anderem darauf hin, dass die Beschaffenheit des Pulverbetts maßgeblich die räumliche Verteilung der Legierungselemente bestimmt und demzufolge ursächlich für Inhomogenitäten im Bauteilvolumen ist.