Modeling of Selective Laser Sintering of Viscoelastic Polymers

Selective laser sintering of polymers is a process to produce complex components layer-by-layer by selective melting of a powder bed with a focused laser beam. The advantages of crucible-free processing, freedom of design, material diversity and resource efficiency make this process unique and particularly interesting for industrial, academic and consumer applications. Although a large number of production machines are commercially available, there are still gaps in the understanding of the relevant consolidation mechanisms at powder level. This is mainly due to the predominant lengths and time scales, which complicate an experimental approach. Subject of this thesis is the development and application of a simulation framework for modeling selective laser sintering of viscoelastic polymers to provide an insight at powder scale. The governing equations for thermo- and hydrodynamics are derived and a numerical scheme is presented to solve the equations using the Lattice Boltzmann Method, including viscoelasticity described by the Oldroyd-B constitutive equation. The new aspects of the derived solver are then validated with analytical and benchmark problems. Additionally, a laser absorption model is introduced for the interaction between the laser radiation and the powder, accounting for the absorption, reflection and refraction. All the derived methods are combined to simulate the selective laser sintering of polyamide 12. The absorption characteristic within one powder particle and a stochastic powder bed is investigated in terms of the absorbed energy distribution and penetration depth. The consolidation of viscoelastic powder particles is analysed. Furthermore, the influence of the process parameters beam power, scanning velocity and scanning strategy on the melt pool shape of a single line, the mean melt pool depth of a single layer and the relative density of several layers are discussed. In addition, the influence of powder aging and viscoelasticity within the relevant limits is examined. Finally, the relevant factors are identified and their impact on the consolidation of the powder discussed.Das selektive Lasersintern von Polymeren ist ein Verfahren zur Herstellung komplexer Bauteile in einem schichtweisen Aufbau durch selektives Schmelzen eines Pulverbettes mit einem fokussierten Laserstrahl. Die Vorteile der tiegelfreien Verarbeitung, die Gestaltungsfreiheit, die Materialvielfalt und die Ressourceneffizienz machen diesen Prozess einzigartig und besonders interessant für industrielle und akademische Anwendungen. Obwohl eine große Anzahl von Produktionsmaschinen kommerziell verfügbar ist, gibt es noch Lücken im Verständnis der relevanten Mechanismen für die Konsolidierung auf Pulverebene. Dies ist vor allem auf die vorherrschenden Längen- und Zeitskalen zurückzuführen, die einen experimentellen Zugang erschweren. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung einer Simulation zur Modellierung des Selektives Lasersintern von viskoelastischen Polymeren, um einen Einblick in den Prozess auf Pulvermaßstab zu geben. Die relevanten Gleichungen für Thermo- und Hydrodynamik werden hergeleitet und ein numerisches Verfahren zur Lösung der Gleichungen mit der Lattice Boltzmann-Methode vorgestellt, einschließlich Viskoelastizität, beschrieben durch das Oldroyd-B Modell. Das neu entwickelte Modell wird mit analytischen und numerischen Ergebenissen aus der Literatur validiert. Zusätzlich wird ein Laserabsorptionsmodell für die Interaktion zwischen dem Laser und dem Pulver vorgestellt, das die Absorption, Reflexion und Brechung berücksichtigt. Alle entwickelten Modelle werden kombiniert, um das selektive Lasersintern von Polyamid 12 zu simulieren. Die Absorptionscharakteristik innerhalb eines Pulverpartikels und eines stochastischen Pulverbettes wird in Bezug auf die absorbierte Energieverteilung und Eindringtiefe untersucht. Das Konsolidieren von viskoelastischen Pulverpartikeln wird analysiert und der Einfluss der Prozessparameter Strahlleistung, Scangeschwindigkeit und Scanstrategie auf die Schmelzbadform einer einzelnen Linie, die Schmelzbadtiefe einer einzelnen Schicht und die relative Dichte mehrerer Schichten untersucht. Der Einfluss der Pulveralterung und der Viskoelastizität innerhalb der relevanten Grenzen wird untersucht und schließlich werden die relevanten Faktoren identifiziert und ihre Auswirkungen auf die Konsolidierung des Pulvers diskutiert