Laser beam melting of aluminum alloys with hull‐core build strategy by using an initial meso‐scale simulation

• Published in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 2021-01, Vol.52 (1), p.8-18
• Main Authors: Grüne, J.G., Knoop, D., Domagala, T., Hehl, A.
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Accuracy; AlSi10Mg; Alternative technology; Aluminum alloys; Aluminum base alloys; Finite element method; High power laser beam melting (LBM); Hochleistungs-Laserstrahlschmelzen; hull-core build strategy; Hülle-Kern Belichtungsstrategie; Industrial applications; Laser beam melting; Lasers; Magnesium; mesoscopic model; mesoskopisches Modell; Process parameters; process simulation; Prozesssimulation; Rapid prototyping; Simulation; Thermal simulation; Three dimensional models
• ISSN: 0933-5137; 1521-4052
• DOI: 10.1002/mawe.201900215

Laser beam melting (LBM) of aluminum alloys is gaining a wide popularity in different industrial applications as an alternative technology for the production of individual and complex parts. A long build time and the high amount of experimental work for optimizing or finding new process parameters are two of the current challenges for reaching an industrial maturity. This paper proposes an efficient way to determine new process parameters for aluminum alloy aluminum‐silicon10‐magnesium with highest build‐up rates by using a 3D finite element model on the mesoscopic level. High laser power in combination with the hull‐core build strategy was used to increase the build‐up rate without impairing the part accuracy. The influences of high laser power, laser diameter and scan speed on the melt pool were studied by using a thermal simulation of single laser tracks. Based on the simulation results the process window could be derived and was tested on a laser beam melting (LBM) system. The achieved reduction of the build time of up to 31 % without loss in part accuracy proved the novel approach for the prediction of the required process window as an efficient method to reduce costly and time‐consuming experimental work. Translation Das Laserstrahlschmelzen gewinnt gegenüber den konventionellen Fertigungsverfahren zur Produktion individueller und komplexer Bauteile zunehmend an Bedeutung. Lange Prozesszeiten und ein hoher Umfang an experimentellen Untersuchungen zur Ermittlung neuer Prozessparameter sind zwei der derzeitigen Herausforderungen auf dem Weg zur Industrialisierung des Verfahrens. Vor diesen Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit eine effiziente Methode zur Ermittlung neuer Prozessparameter am Beispiel der Aluminiumlegierung Aluminium‐Silizium10‐Magnesium mit höchsten Aufschmelzraten mittels eines mesoskopischen Simulationsmodells erarbeitet. Zur Steigerung der Aufschmelzrate und Reduzierung der Prozesszeit, bei gleichbleibender Detailauflösung der Bauteile, wird die Hülle‐Kern‐Belichtungsstrategie in Kombination mit hoher Laserleistung angewendet. Die Untersuchung der Einflussgrößen erfolgt zuerst mit Hilfe einer Temperaturfeldsimulation von einzelnen Schmelzspuren. Basierend auf den numerischen Ergebnissen wird ein Prozessfenster abgeleitet und auf der Laserstrahlschmelzen (LBM)‐Anlage untersucht. Die Bauzeit wird um bis zu 31 % reduziert, was die Gültigkeit der neuartigen Methode zur Bestimmung der Prozessparameter bestätigt. To shorten the devel