Der 3D-Druck, insbesondere im Bereich der additiven Fertigung von metallischen Bauteilen, ist ein komplexer Prozess, der durch das Zusammenspiel verschiedener physikalischer Phänomene gekennzeichnet ist. Um die Qualität und Funktionalität der gedruckten Bauteile zu gewährleisten und den Fertigungsprozess zu optimieren, werden zunehmend Multiphysik-Simulationen eingesetzt. Diese Simulationen berücksichtigen die gekoppelten Einflüsse verschiedener physikalischer Bereiche, um ein umfassendes Verständnis des Prozesses zu ermöglichen.

Relevante physikalische Bereiche im 3D-Druck:

Im Kontext des 3D-Drucks, insbesondere von Metallen (z.B. mittels Selektivem Laserschmelzen – SLM), spielen folgende physikalische Bereiche eine entscheidende Rolle und werden in Multiphysik-Simulationen berücksichtigt:

• Wärmeübertragung: Die Wärmeeinbringung durch den Laserstrahl, die Wärmeleitung im Pulverbett, die Konvektion und die Strahlung beeinflussen die Schmelzbadgeometrie, die Mikrostruktur und die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften des Bauteils. Die Temperaturverteilung im Bauteil ist entscheidend für die Vermeidung von Fehlern wie Porosität oder Rissen.

• Strömungsmechanik: Die Strömungsmechanik beschreibt den Transport des Schmelzbades und die Bewegung des Pulvers im Bauprozess. Diese Prozesse beeinflussen die Homogenität des Bauteils und die Genauigkeit der Geometrien.

• Festkörpermechanik: Die Festkörpermechanik beschreibt die Spannungen und Verformungen im Bauteil während des Aufbaus und der Abkühlphase. Die Berücksichtigung der Eigenspannungen und Verzüge ist besonders wichtig für die Vorhersage und Kompensation von Bauteilverzug.

• Phasenumwandlungen: Metallische Werkstoffe können während des SLM-Prozesses Phasenumwandlungen durchlaufen, die ihre Eigenschaften stark beeinflussen. Diese Phasenumwandlungen müssen in der Simulation berücksichtigt werden, um die mechanischen Eigenschaften des fertigen Bauteils genau zu prognostizieren.

• Elektromagnetik: Im Fall von Laser-basierten Verfahren wie SLM ist die Modellierung des Laserstrahls und seiner Interaktion mit dem Pulverbett relevant. Die elektromagnetische Simulation kann die Laserintensitätsverteilung und die Energieeinkopplung in das Pulverbett berechnen.

Anwendungsbeispiele von Multiphysik-Simulationen im 3D-Druck:

• Wärmetauscher-Design: Die Simulation von Wärmeübertragung und Strömungsmechanik ermöglicht die Optimierung der Geometrie von Wärmetauschern, um die Effizienz zu maximieren und den Druckverlust zu minimieren.

• Bauteilverzugskompensation: Durch die gekoppelte Simulation von Wärmeübertragung und Festkörpermechanik können die Verzüge während des Abkühlprozesses vorhergesagt und kompensiert werden. Dies führt zu Bauteilen mit höherer Genauigkeit und Qualität.

• Heatsink-Design: Multiphysik-Simulationen helfen, die optimale Geometrie von Kühlkörpern zu bestimmen, um eine effiziente Wärmeableitung zu gewährleisten.

• Prozessoptimierung: Simulationen können verwendet werden, um die Prozessparameter (Laserleistung, Scan-Geschwindigkeit, Schichthöhe etc.) zu optimieren und die Bauteilqualität zu verbessern.

• Materialentwicklung: Simulationen unterstützen die Entwicklung neuer Materialien und Legierungen für den 3D-Druck, indem sie das Materialverhalten unter verschiedenen Bedingungen vorhersagen.

Herausforderungen bei Multiphysik-Simulationen im 3D-Druck:

• Rechenaufwand: Die gekoppelte Simulation verschiedener physikalischer Bereiche ist rechenintensiv und erfordert leistungsstarke Computer.

• Modellgenauigkeit: Die Genauigkeit der Simulation hängt von der Genauigkeit der verwendeten Modelle und der Eingangsdaten ab.

• Modellvalidierung: Die Ergebnisse der Simulation müssen experimentell validiert werden, um ihre Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Fazit:

Multiphysik-Simulationen sind ein unverzichtbares Werkzeug zur Optimierung des 3D-Druckprozesses und zur Verbesserung der Bauteilqualität. Durch die Berücksichtigung der gekoppelten Einflüsse verschiedener physikalischer Phänomene ermöglichen sie ein umfassendes Verständnis des Prozesses und führen zu effizienteren und präziseren Fertigungsverfahren. Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Simulationsmethoden und der Rechenleistung wird die Bedeutung von Multiphysik-Simulationen im 3D-Druck weiter verstärken.