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Numerical Modelling of Processes Governing Selective Laser Sintering

Dayal, Ram :
Numerical Modelling of Processes Governing Selective Laser Sintering.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Numerical Modelling of Processes Governing Selective Laser Sintering
Language: English
Abstract:

This study is focused on numerical investigation of heat transfer, melting, solidification and coalescence of metallic particles invoked by laser heating in application to selective laser sintering. The selective laser sintering is a promising additive manufacturing technology, applicable to a wide range of materials and products demanding a high degree of customization. Besides having potential advantages over conventional manufacturing, layer-by-layer synthesis poses challenges concerning mechanical properties, repeatability, limited choice of materials, slow production rate etc. This is due to the lack of understanding of the process variables and underlying physics.

The metal powder is subjected to local heating by constant or pulsed irradiation from a moving laser source. The powder is sintered due to liquid-liquid contact growth during partial melting of particles retaining an unmelted solid core. The interparticle contacts are developed by capillary flow of the melt driven by high curvature gradients in the vicinity of the contact. The densification is accompanied by mutual approaching of solid cores, growing size of liquid neck between the particles and finally by particle cooling and melt solidification. The process involves multiple modes of heat transfer, phase change, mass and momentum transport in powder bed and is therefore very complex.

Separate thermal models are developed to describe heat transfer at different length scales. The thermal model for radiation absorption and its transport in powder bed is based on non-continuum approach considering the discrete nature of medium. On the other hand, particle scale model describes evolution of the temperature field and phase change in a particle, while assuming surrounding granular powder as homogeneous medium. Model predictions are compared with experiments conducted on a commercial sintering system Eosint M270.

Finally a representative case of two particles in contact is considered for coupled thermal and hydrodynamic analysis. The governing equations for heat transfer and flow of liquid melt are solved using boundary element method. The coupled model accounts for heat transfer, phase change during laser heating cycle and resulting melt flow due to surface tension forces simultaneously. Detailed study of the effect of process parameters on particle temperature evolution, contact growth and densification rate is conducted and discussed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Studie befasst sich mit der numerischen Untersuchung von Wärmetransport-, Schmelz-, Erstarrungs- und Koaleszensvorgängen von metallischen Partikeln mittels Erwärmung durch selektives Lasersintern. Selektives Lasersintern ist ein vielversprechendes Produktionsverfahren zur Herstellung von kundenspezifischen und individuellen Produkten, welches auf eine Vielzahl von Materialien angewendet werden kann. Neben den Vorteilen gegenüber herkömmlichen Produktionsverfahren, stellt die schichtweise Produktion besondere Anforderungen an mechanische Eigenschaften, Reproduzierbarkeit, Auswahl der Materialien, Geschwindigkeit des Produktionsprozesses usw.. Dies resultiert aus dem noch unzureichenden Verständnis der Prozessvariablen und der zugrunde liegenden Physik. Das Metallpulver wird durch konstante oder pulsierende Strahlung einer sich bewegenden Laserquelle lokal erwärmt. Dabei wird das Pulver durch den Kontakt der geschmolzenen Partikeloberflächen bei zunächst noch festem Partikelkern gesintert. Der Kontakt zwischen den Partikeln wird aufgrund der Kapillarströmung des geschmolzenen Metalls hergestellt, angetrieben durch die große Oberflächenkrümmung im Kontaktbereich der Partikel. Die Verdichtung des Materials resultiert aus der gegenseitigen Annäherung der festen Partikelkerne, der Vergrößerung des flüssigen Bereichs zwischen den Kernen und schließlich aus dem Abkühlen beziehungsweise Erstarren des gesamten Materials. Dieser Prozess beinhaltet verschiedene Arten des Wärmetransports, Phasenübergänge, Massen- und Impulstransport und ist somit sehr komplex. Es werden verschiedene thermische Modelle zur Beschreibung des Wärmetransports auf unterschiedlichen Längenskalen entwickelt. Das thermische Modell zur Beschreibung der Strahlungsabsorption sowie des Transports der Strahlung im Pulver basiert auf einem diskreten Ansatz zur Berücksichtigung der Nichthomogenität des Materials. Demgegenüber basiert das Partikel-Skalen-Modell zur Beschreibung der Temperatur und des Phasenübergangs im Partikel auf der Annahme, dass das umgebende Pulver als homogenes Medium betrachtet werden kann. Die Vorhersagen des Modells werden mit Experimenten am kommerziellen Sinterapparat Eosint M270 verglichen. Schließlich wird der repräsentative Fall zweier sich berührender Partikel zur gekoppelten, thermischen und hydrodynamischen Analyse betrachtet. Die zur Beschreibung des Wärme- und Stofftransports im flüssigen Metall benötigten Gleichungen werden mittels der Boundary-Element-Method gelöst. Das gekoppelte Modell berücksichtigt gleichzeitig Wärmetransport, Phasenübergang sowie Stofftransport des geschmolzenen Materials aufgrund von Oberflächenspannungen. Eine detaillierte Studie des Einflusses der Prozessparameter auf die Temperaturverteilung in den Partikeln, die Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen den Partikeln und der Verdichtung der Partikel wird durchgeführt und ausgewertet.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: selective laser sintering, selective laser melting, heat transfer, melting, partial melting, phase change, coalescence, numerical modelling
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 11 Jun 2014 06:55
Last Modified: 11 Jun 2014 06:55
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-39881
Referees: Gambaryan-Roisman, PD Dr.-Ing Tatiana and Abele, Dr.-Ing. Eberhard and Stephan, Dr.-Ing. Peter
Refereed: 14 May 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3988
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