Pulverbettfusion (Powder Bed Fusion, PBF), ein beliebtes additives Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe, hat sowohl in der Industrie als auch in der Wissenschaft seine Flexibilität und Schnelligkeit bei der Herstellung neuartiger und komplexer Geometrien unter Beweis gestellt und stellt eine entscheidende Komponente für den erwarteten Durchbruch der modernen Werkstoffherstellung dar. In diesem Zusammenhang ist die Schaffung einer übertragbaren Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehung für PBF-verarbeitete Funktionswerkstoffe von entscheidender Bedeutung, um eine nachhaltige und reproduzierbare Herstellung zu erreichen, aber bisherige Studien haben dieses Thema nicht vollständig abgedeckt. Die Modellierung und Simulation von PBF-Prozessen zielt darauf ab, die derzeitige kostspielige und zeitaufwändige Versuch-und-Irrtum-Methode durch ein effizientes rechnergestütztes Designwerkzeug zu ergänzen. Aufgrund der komplexen und interaktiven Natur der zugrundeliegenden Physik, die ein breites Spektrum an Zeit- und Längenskalen umfasst und stark von Prozessparametern wie Strahlgröße, Leistung und Scangeschwindigkeit abhängt, bleibt dies jedoch eine große Herausforderung. Eine umfassender Plattform, die Skaleneffekte und Multiphysik-Interaktionen berücksichtigt, ist daher für eine zuverlässige Modellierung und Simulation von Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen unerlässlich.

Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung einer Multiphysik-Multiskalen-Simulationsplattform, die darauf abzielt, die Prozess-Eigenschaftsbeziehungen in Funktionswerkstoffen gründlich zu untersuchen und die simulationsgestützte Eigenschaftsanpassung weiterzuentwickeln. Zunächst wird der PBF-Prozess mit verschiedenen komplexen und interaktiven physikalischen Prozessen modeliert, dabei wird auf die Grundsätze der Nichtgleichgewichtsthermodynamik und der Fluiddynamik zur\"uckgegriffen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf gekoppelten Massen- und Wärmetransfer, Schmelzen und (Wieder-)Erstarren, Kornwachstum und Kreuzkopplungseffekte. Die entwickelten PBF-Modelle werden dann zusammen mit Simulationen der mesoskopischen Eigenspannungserzeugung, nanoskopischer Festkörperphasenübergänge und nanostrukturbasierter magneto-elastischer gekoppelter Mikromagnetik in einen größeren Plattform integriert. Gleichzeitig wird auch ein Mehrschichtschema vorgestellt und integriert, um Prozesssimulationen und praktische PBF-Fertigung anzunähern. Der Plattform ist methodisch strukturiert, um Klarheit und Tiefe zu gewährleisten, wobei der Schwerpunkt auf Schlüsselkonzepten mit entsprechendem physikalischem Hintergrund liegt. Die in diesem Plattform verwendeten Modelle werden numerisch durch Finite-Elemente- und Finite-Differenzen-Methoden implementiert, die mit anderen Ansätzen, einschließlich diskreter Elemente und CALPHAD-Methoden, kombiniert werden.

Unter Verwendung der etablierten Plattform werden in dieser Arbeit gebündelt Hochleistungsberechnungen durchgeführt, gefolgt von Regressionsanalysen, um phänomenologische Beziehungen zwischen PBF-Verarbeitungsparametern und den daraus resultierenden Materialeigenschaften abzuleiten. Zu diesen Eigenschaften gehören Porosität, Geometrie der Schmelzzone, Eigenspannung, plastische Verformung, effektive Elastizität und magnetische Hysterese. Die Arbeit liefert nicht nur Prozess-Eigenschaftsbeziehungen, sondern schlägt auch einen neuartigen, Mechanismus auf der Längenskala des Pulvers vor, um die Bildung von Eigenspannungen auf der Mesoskala aufzuklären, und deckt die Empfindlichkeit der lokalen magnetischen Koerzitivfeldstärke gegenüber Eigenspannungszuständen in einer PBF-verarbeiteten Fe-Ni-Permalloy auf. Die PBF-assoziierte Schmelzbadkontrolle und die Verfolgung von Nanopartikeln werden ebenfalls hinreichend untersucht und mit experimentellen Beobachtungen validiert, wobei ein dimensionsloses allometrisches Skalierungsgesetz zur Vorhersage und Kontrolle der Schmelzbadbreite sowie statistische Erkenntnisse über die Dispersion und Agglomeration von Nanopartikeln in PBF-Prozessen gewonnen werden.

Der vorgeschlagene Multiphysik-Multiskalen-Simulationsplattform wird voraussichtlich die Berechnungswerkzeuge bereichern und dadurch die nachhaltige Herstellung und die Entwicklung digitaler Zwillinge für funktionelle Materialien unterstützen.