The Simulation of Laser Metal Deposition using Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH)

Abstract

Laser Metal Deposition (LMD) is a sophisticated additive manufacturing process involving complex interactions between fluid dynamics, heat transfer, and discrete powder feeding. This dissertation presents a comprehensive simulation framework for the LMD process using Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH) accelerated by GPU computing. The framework integrates the Discrete Element Method (DEM) to simulate the powder feeding process and uses ISPH to model the subsequent molten powder deposition, with the two processes seamlessly connected via Inter-Process Communication (IPC) techniques. The simulation captures key physical phenomena critical to the LMD process, including surface tension, the Marangoni effect, heat conduction, and laser-metal interaction. Surface tension is rigorously modeled to account for its dominant role in shaping the molten pool, particularly in low capillary number regimes. The Marangoni effect, driven by temperaturedependent surface tension gradients, is incorporated to simulate thermocapillary flows within the melt pool accurately. Heat conduction and laser-metal interaction are modeled to capture the transient thermal gradients and energy absorption dynamics, which are essential for understanding phase transitions and material solidification. The coupling of DEM and ISPH via IPC ensures realistic simulation of powder feeding and its transition into the molten state, facilitating a high-fidelity representation of deposition dynamics. GPU acceleration significantly enhances computational efficiency, enabling large-scale simulations with fine temporal and spatial resolution. This work provides new insights into the coupled powder feeding and melt pool dynamics, along with the influence of process parameters on deposition quality. The developed framework serves as a powerful predictive tool for optimizing the LMD process and improving the quality, precision, and reliability of additively manufactured components. Laser Metal Deposition (LMD) ist ein anspruchsvolles additives Fertigungsverfahren, das komplexe Wechselwirkungen zwischen Strömungsmechanik, Wärmeübertragung und der diskreten Pulverzufuhr umfasst. Diese Dissertation stellt ein umfassendes Simulationsframework für den LMD-Prozess vor, das auf incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH) basiert und durch GPU-Computing beschleunigt wird. Das Framework integriert die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) zur Simulation der Pulverzufuhr und verwendet ISPH zur Modellierung der anschließenden Ablagerung geschmolzener Pulverpartikel. Die beiden Prozesse sind nahtlos über Inter-Process Communication (IPC) miteinander gekoppelt. Die Simulation erfasst wesentliche physikalische Phänomene, die für den LMD-Prozess von zentraler Bedeutung sind, darunter die Oberflächenspannung, den Marangoni-Effekt, die Wärmeleitung und die Laser-Metall-Interaktion. Die Oberflächenspannung wird präzise modelliert, um ihre dominierende Rolle bei der Formung des Schmelzbades, insbesondere in Regimen mit niedrigen Kapillarzahlen, zu berücksichtigen. Der Marangoni-Effekt, der durch temperaturabhängige Gradienten der Oberflächenspannung angetrieben wird, wird integriert, um thermokapillare Strömungen im Schmelzbad genau zu simulieren. Die Wärmeleitung und die Laser-Metall-Interaktion werden modelliert, um die transienten thermischen Gradienten und die Energieabsorption zu erfassen, die für das Verständnis von Phasenübergängen und der Materialverfestigung entscheidend sind. Die Kopplung von DEM und ISPH über IPC ermöglicht eine realistische Simulation der Pulverzufuhr und deren Übergang in den geschmolzenen Zustand, wodurch eine hochpräzise Darstellung der Ablagerungsdynamik erreicht wird. Die GPU-Beschleunigung steigert die Recheneffizienz erheblich und ermöglicht großskalige Simulationen mit feiner zeitlicher und räumlicher Auflösung. Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse über die gekoppelte Dynamik der Pulverzufuhr und des Schmelzbades sowie über den Einfluss von Prozessparametern auf die Qualität der Ablagerung. Das entwickelte Framework dient als leistungsstarkes Werkzeug zur Optimierung des LMD-Prozesses und zur Verbesserung der Qualität, Präzision und Zuverlässigkeit additiv gefertigter Bauteile.