Luca Luberto

• Laser Powder Bed Fusion, im Deutschen als Laserstrahlschmelzen bezeichnet, ist ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung komplexer Bauteile. Dabei wird ein pulverförmiger Werkstoff schichtweise aufgetragen und mit Hilfe eines Lasers aufgeschmolzen. Durch den lokalen Lasereinsatz und die damit verbundene schnelle Abkühlung sowie die anschließende Wiedererwärmung können jedoch unerwünschte Eigenspannungen und Deformationen entstehen. Um diese zu vermeiden und gleichzeitig optimale Bauteileigenschaften sowie eine stabile Prozessführung zu gewährleisten, ist eine präzise Einstellung der Prozessparameter wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Schichthöhe unerlässlich. Die Prozesssimulation stellt dabei eine effektive Methode zur Ermittlung der optimalen Parameter dar und spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung der gewünschten Material- und Bauteileigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wird ein Simulationsframework vorgestellt, das die thermo-mechanische Prozesssimulation auf Meso- und Makroskala mittels der Finite-Differenzen-Methode auf Grafikprozessoren ermöglicht. Das Simulationsframework wurde so entwickelt,dass das Preprocessing vollautomatisch allein auf Basis der Prozessparameter und des G-Codes durchgeführt wird. Dadurch wird der erhebliche Vorbereitungsaufwand, der bei herkömmlichen Programmen zur Simulation des Laserstrahlschmelzens erforderlich ist, deutlich reduziert. Neben der Modellierung und Implementierung umfasst die Arbeit auch die Validierung der Modelle mit experimentellen Daten sowie Parameterstudien, die zeigen, dass das entwickelte Framework eine solide Grundlage für zuverlässige Analysen bietet.
• Laser powder bed fusion is an additive manufacturing process used for producing complex components. In this process, a powdered material is applied layer by layer and melted using a laser. However, due to the localized laser application and the associated rapid cooling and subsequent reheating, undesirable residual stresses and deformations can occur. To avoid these issues while ensuring optimal component properties and a stable process, precise adjustment of process parameters such as laser power, scanning speed, and layer thickness is essential. Process simulation serves as an effective method for determining the optimal parameters and plays a crucial role in ensuring the desired material and component properties. This work presents a simulation framework that enables thermo-mechanical process simulation at the meso- and macro-scale using the finite difference method on graphics processors. The simulation framework was developed to perform preprocessing fully automatically, based solely on process parameters and G-code. This significantly reduces the substantial preparation effort typically required by conventional programs for simulating laser beam melting. In addition to the modeling and implementation, the work also includes the validation of the models with experimental data as well as parameter studies, demonstrating that the developed framework provides a solid foundation for reliable analyses.