A holistic approach to understand laser additive manufacturing from melt pool to microstructure

Zielinski, Jonas; Schulz, Wolfgang; Gökce, Bilal

doi:41654

A holistic approach to understand laser additive manufacturing from melt pool to microstructure = Ein ganzheitlicher Ansatz zum Verständnis der Laser basierten additiven Fertigung vom Schmelzbad bis zur Mikrostruktur

Zielinski, Jonas^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jonas Zielinski

ImpressumAachen : Thyme 2 Reed Dissertationsverlag 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-949047-03-9

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Druckausgabe: 2022. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schulz, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Gökce, Bilal (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-07-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-09789
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/854823/files/854823.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren (418020)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
additive manufacturing (frei) ; laser (frei) ; melt pool (frei) ; microstructure (frei) ; process simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Schmelzbad ist das Herzstück der additiven Fertigungstechnologien (AM). Während die Größe und die laterale Geschwindigkeit des Schmelzbades die Produktivität des Prozesses beeinflussen, hängt das resultierende Mikrogefüge von den lokalen Erstar-rungsbedingungen ab. Ziel dieser Arbeit ist es, Schmelzbadmodelle für den Laser Direct Energy Deposition (L-DED) und Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) Prozess vorzustellen, mit denen die Energieabsorption und Energie-Materie-Wechselwirkungen repräsentativ modelliert werden können.Für L-DED liegt der Schwerpunkt auf der Wechselwirkung zwischen Teilchen und Laser-strahlung während der Flugzeit des Teilchens von der Düse zum Schmelzbad. Zur Be-wertung der resultierenden Spurgeometrien wird die freie Oberfläche des Schmelzbad berechnet und mit experimentellen Befunden verglichen.Beim L-PBF bildet sich durch den Rückstoßdruck des verdampfenden Materials, bedingt durch hohe Laserstrahlungsintensitäten, eine Gaskapillare. In dieser Kapillare führt Mehrfachreflexion der einfallenden Laserstrahlung zu einer erhöhten Energieabsorption während des Prozesses. In-situ-Messungen werden durchgeführt, um die Absorptions-änderung in einem Key Hole-Übergangsprozessmodus zu quantifizieren. Aufgrund der erhöhten Absorption nimmt die Tiefe des Schmelzbad bzw. Keyhole mit dem Einsetzen des Tiefschweißens zu. Das entwickelte Modell kann die Größe des Schmelzbad (insbe-sondere die Tiefe) über einen weiten Bereich von Prozessparametern vorhersagen (von wärmeleitenden bis hin zu Keyhole-dominierten Prozessen).Die Größe des Schmelzbades (Tiefe, Breite und Höhe) in Abhängigkeit von den Haupt-prozessparametern (Scangeschwindigkeit und Laserleistung) wird für beide AM-Prozesse untersucht. Die Ergebnisse werden mit experimentellen Daten verglichen. Der relative Fehler für die Schmelzbadgröße liegt bei etwa 10 %, so dass davon ausgegan-gen wird, dass die Beschreibung genau genug ist. Der relative Fehler für die Verfesti-gungsbedingungen liegt in der gleichen Größenordnung.Die schwer zu messenden Erstarrungsbedingungen werden aus den Simulationen extra-hiert und für beide Prozesse verglichen. Wie erwartet sind (aufgrund der größeren Schmelzbadgröße und der geringeren Scangeschwindigkeit) die Abkühlungsraten, die thermischen Gradienten und die Erstarrungsgeschwindigkeit für das L-DED-Verfahren geringer als für das L-PBF-Verfahren. Die Erstarrungsbedingungen variieren stark ent-lang der Erstarrungsfront und mit den verwendeten Prozessparametern, diese Einflüsse werden quantifiziert und ein repräsentatives Volumen für die Mikrostruktursimulatio-nen wird sorgfältig ausgewählt. Die Phasenfeldsimulation des Mikrogefüges liefert ähn-liche Ergebnisse (in Bezug auf die primären und sekundären Dendritenarmabstände) wie die durchgeführte Mikrostrukturanalyse.Das in dieser Arbeit untersuchte Material ist Inconel 718, eine γ'-ausscheidungsgehärtete Nickel-Basis-Legierung, die in Turbomaschinen und bereits häu-fig in der additiven Fertigung verwendet wird.

The melt pool is the core of Additive Manufacturing (AM) technologies. While the size and its lateral velocity implicitly influence the productivity of the process, the resulting microstruc-ture depends on the local solidification conditions. The scope of this work is to present melt pool models for the Metal Laser Direct Energy Deposition (L-DED) and Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) process, with which the energy absorption and energy-matter interactions can be modelled representatively. For L-DED the focus lies in the particle-laser radiation interaction during the particle's time of flight from the nozzle towards the melt pool. The free surface of the melt pool is calculated to assess the resulting track geometries. For L-PBF the keyhole formation, by the recoil pressure of evaporating material, due to high laser radiation intensities, a gas capillary is formed. In this capillary, multiple reflection of the incident laser radiation lead to an increased energy absorption during the process. In-situ measurements are performed to quantify the absorption change in a keyhole-transition process mode. Due to the increased absorption the depth of the keyhole increases with on-setting of the keyhole mode. The developed model can predict melt pool sizes (especially the depth) over a large range of process parameters (from heat conductive- to keyhole-dominated processes). The melt pool size (depth, width and height) in dependence of the main process parameters (scanning velocity and laser power), for both AM processes, is investigated. The results are compared to experimental data, the relative error for the melt pool size is found to be roughly 10 %, thus the description is assumed to be accurate enough. The relative error of the so-lidification conditions is assumed to be in the same order of magnitude.he hard to measure solidification conditions are extracted from the simulations and compared for both processes. As expected, (due to larger melt pool sizes and smaller scanning velocity), the cooling rates, thermal gradients, and solidification velocity are smaller for the L-DED than the L-PBF process. The solidification conditions vary strongly along the solidification front and with the used process parameter, those influences are quantified and a representative volume for the microstructure simulations is picked carefully. The phase field simulation of the microstructure yields similar results (with respect to the primary and secondary dendrite arm spacing) as the performed microstructure analysis. The material investigated is Inconel 718 a γ’-precipitation strengthened nickel-base alloy often used in turbo machinery and AM.

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