Der Powder-Bed-Fusion-(PBF)-Prozess wird durch ein komplexes Zusammenspiel kinetischer und thermodynamischer Mechanismen bestimmt, die über mehrere räumliche und zeitliche Skalen hinweg wirken. Infolgedessen zeigt der Prozess ein hochdynamisches Verhalten, bei dem selbst geringfügige Änderungen der Randbedingungen lokal veränderte Schmelzbedingungen und Prozessanomalien verursachen können. Diese Anomalien äußern sich in inhomogenen Materialeigenschaften und Defekten innerhalb der gefertigten Bauteile, was die Reproduzierbarkeit des Prozesses und die Bauteilqualität verringert.

Frühere Forschungsarbeiten haben die Herausforderung lokal variierender Prozessbedingungen umfassend untersucht. Bestehende Ansätze zur Regelung und Steuerung der Laserleistung zielen darauf ab, den Energieeintrag mithilfe von Schmelzbadmodellen oder Prozessüberwachungsdaten zu homogenisieren. Die meisten Studien konzentrieren sich jedoch primär auf geometriebedingte Einflüsse und validieren ihre Ergebnisse anhand geometrischer Parameter, ohne eine umfassende Bewertung des resultierenden Schmelzbadverhaltens oder der lokalen Materialeigenschaften vorzunehmen. Zudem sind Experimente häufig auf einzelne Anlagensysteme beschränkt, was die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf unterschiedliche Maschinen, Materialien und Überwachungskonfigurationen einschränkt.

Diese Studie adressiert die Forschungsfrage:

Wie kann eine datengetriebene, lokal adaptive Prozessstrategie Prozesseinflüsse korrigieren, um Prozessanomalien zu reduzieren und Bauteileigenschaften zu verbessern?

Es werden zwei prädiktive Ansätze entwickelt:

Einer basiert auf einer dimensionslosen, physikalisch abgeleiteten Kennzahl, der andere nutzt Prozessüberwachungsdaten für einen relativen Vergleich mit einem kalibrierten Referenzprozess. Beide Ansätze werden anhand von Abweichungen in der Schmelzspur-Geometrie und der Ermüdungsfestigkeit validiert und anschließend auf einem anderen PBF-System getestet, um die allgemeine Anwendbarkeit zu prüfen.

Die Implementierung adaptiver Prozessparameter ermöglicht eine systemunabhängige Homogenisierung der Schmelzspur-Geometrie bei gleichzeitiger Beibehaltung einer konstanten 50%-Ermüdungsfestigkeit für die Legierung 316L.

Die vorgeschlagene Methodik bietet ein leicht übertragbares Rahmenkonzept für industrielle Anwendungen, das eine lokale Prozessanpassung ohne umfangreiches Expertenwissen ermöglicht. Darüber hinaus erlaubt sie die gezielte Ausbildung kontrollierter Mikrostrukturen und eröffnet Potenzial zur Realisierung gradierter Materialeigenschaften durch gezielte Parameteranpassung.