Influence of Powder Bed Characteristics on Material Quality in Additive Manufacturing

In powder bed based Additive Manufacturing (AM) processes like Selective Laser Melting (SLM) or Electron Beam Melting (EBM), the spatial distribution of the individual powder particles is typically unknown. Nevertheless, the distribution of particles in the heat affected zone defines the thermophysical properties of the region being processed by the heat source and therefore plays a crucial role in heat transfer processes. In this work, the spatial distribution of individual particles and their influence on the AM process is numerically investigated. Two powder bed configurations are compared: One powder bed is generated using the discrete element method (DEM) to model the coating process; the second powder bed is arranged in the BCC structure. The melting and solidification of both configurations are modelled. The predicted melt pool dimensions are compared with experimentally determined values. The results indicate that modelling the coating process is necessary to ensure accurate modelling of the heat source powder bed interaction as well as an accurate prediction of the melt pool characteristics.ZusammenfassungBei Pulverbett basierten Additiven Fertigungsprozessen (AM) wie Selective Laser Melting (SLM) oder Elektron Beam Melting (EBM) ist die lokale Partikelverteilung im Pulverbett meist unbekannt. Nichts desto trotz beeinflusst die Partikelverteilung in der Wärmeeinflusszone und Prozesszone die thermophysikalischen Bedingungen signifikant und spielt eine entscheidende Rolle für die Lösung der Wärmeleitungsgleichung.In diesem Artikel wird der Einfluss der Partikelverteilung auf den SLM Prozess mit Hilfe von Simulationen numerisch untersucht. Zur Lösung dieser Aufgabenstellung werden zwei unterschiedliche Methoden verwendet. Erstens wird der Pulverauftrag in Rahmen der diskreten Elemente Methoden (DEM) abgebildet und gelöst. Die errechneten Verteilungen dienen als Eingangsgröße für die Simulation des Schmelzprozesses beim SLM (Volume-of-fluid Methode (VOF)). In der zweiten Simulation werden das Aufschmelzen des Pulvers, die Strömung der Schmelze und das Erstarren der Schmelze in der Prozesszone simuliert.Aus der VOF Simulation werden die charakteristischen Größen des Schmelzbades extrahiert (Breite, Tiefe) und mit experimentell ermittelten Werten verglichen.Als Eingangsgröße für die DEM Simulation wird eine reale Partikelverteilung vermessen.Die Ergebnisse zeigen, wie die Partikelverteilung den SLM Prozess und die finale Bauteilqualität beeinflussen.